EP3386910A1 - Method for manufacturing a microelectromechanical device and corresponding device - Google Patents

Method for manufacturing a microelectromechanical device and corresponding device

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EP3386910A1
EP3386910A1 EP16812983.1A EP16812983A EP3386910A1 EP 3386910 A1 EP3386910 A1 EP 3386910A1 EP 16812983 A EP16812983 A EP 16812983A EP 3386910 A1 EP3386910 A1 EP 3386910A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
cavity
etching
face
nanometric
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16812983.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Joël COLLET
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Tronics Microsystems SA
Original Assignee
Tronics Microsystems SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Tronics Microsystems SA filed Critical Tronics Microsystems SA
Publication of EP3386910A1 publication Critical patent/EP3386910A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
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    • B81C1/00333—Aspects relating to packaging of MEMS devices, not covered by groups B81C1/00269 - B81C1/00325
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    • B81C1/00134—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising flexible or deformable structures
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81C1/00222—Integrating an electronic processing unit with a micromechanical structure
    • B81C1/00246—Monolithic integration, i.e. micromechanical structure and electronic processing unit are integrated on the same substrate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00261—Processes for packaging MEMS devices
    • B81C1/00269—Bonding of solid lids or wafers to the substrate

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 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 systems include force sensors, such as accelerometers, gyrometers, and very low 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.
  • These measuring beams may for example be strain gages or resonators.
  • the mass and beam assembly is held in suspension over a cavity. For example, in the case of an accelerometer, during a displacement of the sensor, 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) and at least one nanometric structure (or gauge) disposed in suspension over a cavity.
  • the manufacturing method comprises delimiting the contours of the micromechanical structure and the nanometric structure by etching a first face of a first substrate so as to obtain trenches delimiting the two structures.
  • the first substrate comprises a single solid layer.
  • the manufacturing method then comprises the formation of a temporary cavity disposed under the structure by isotropic etching of the trenches delimiting the nanometric structure so as to form the nanometric structure.
  • the manufacturing method comprises sealing the first face of the first substrate with a second substrate, this step is followed by thinning of the first substrate.
  • the second substrate is formed of at least one solid layer and an insulating layer.
  • This sealing is followed by the formation of the cavity in the first substrate, by etching a second face of the first substrate.
  • 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 in direct contact with the second face of the first substrate.
  • this temporary structure can then be ensured by the third substrate and the second substrate is eliminated. Finally, the first face of the first substrate is etched so as to open the cavity and form the micromechanical structure.
  • micromechanical structure refers to a structure whose thickness is of micrometric dimensions.
  • nanoscale structure refers to a structure of which one of the patterns is of nanometric width, for example the width.
  • the thickness of the nanometric structure may be of micrometric dimensions.
  • 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 further comprises, prior to the sealing of the first substrate with the second substrate and subsequent to the production of alignment marks, the protection of the first face of the first substrate by an oxidation step intended to forming an oxide layer on the first face and then by a step of depositing a nitride layer on the oxide layer.
  • the step of delimiting the contours of the micromechanical structure and the nanometric structure comprises an etching of the oxide layer and the nitride layer. This protection protects the appearance of micrometric and nanometric structures.
  • the method further comprises, prior to the formation of the temporary cavity and subsequent to the delineation of the contours of the micromechanical structure and the nanometric structure, the protection of the trenches by the deposition of a second layer of nitride.
  • the step of forming the temporary cavity is preceded by a step of etching the nitride present in the bottom of the trenches delimiting the nanometric structure. This protection protects the contours of micrometric and nanometric structures.
  • the method further comprises, prior to sealing the first face of the first substrate with a second substrate, an oxidation of the silicon so as to plug the temporary cavity disposed under the nano-metric structure. This oxidation makes it possible to protect the face of the nanometric structure opposite the cavity for the subsequent steps.
  • the formation of the cavity in the first substrate, by etching a second face of the first substrate comprises a first etching having the depth of the cavity at the level of the micrometric structure and a second etching having the depth of the cavity at the level of the nanometric structure.
  • the second etching extends to the temporary cavity comprising the silicon oxide.
  • the method further comprises, 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 micromechanical 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 method further comprises, simultaneously with the production of the cavity, the formation of at least one 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 abutment 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 micrometer structure.
  • the subject of the invention is also an electromechanical device comprising:
  • 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 between 100nm and ⁇ - the micromechanical structure may have a thickness less than ⁇ and greater than 5 ⁇ ;
  • the solid layers and the thin layer are preferably made of silicon and the insulating layers are preferably made of oxide.
  • FIGS. 1 to 12 are diagrammatic views illustrating the steps of the manufacturing process of FIG. an electromechanical device incorporating an active structure of micrometric dimensions and an active structure of nanometric dimensions, according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 12 illustrates the various steps of a method of manufacturing an electromechanical device according to one embodiment.
  • the electromechanical device that it is desired to obtain is illustrated in FIG. 12 and in particular incorporates a micromechanical structure 60 of predetermined thickness, for example 20 ⁇ m, suspended above a cavity 4 of predetermined depth, for example 5 ⁇ .
  • the micromechanical structure 60 is an active body formed of a moving mass.
  • the electromechanical device also incorporates a nanometric structure 7 of predetermined thickness, for example 250 nm, in suspension above the cavity 4.
  • the nanometric structure 7 is a strain gauge intended to measure the stresses to which the moving mass is subjected. so as to estimate a displacement of the electromechanical device.
  • the electromechanical device may further comprise a stopper 5 which extends from the micromechanical structure 60 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 1 ⁇ .
  • the cavity 4, the micromechanical structure 60 and the nanometric structure 7 are produced by etching in the same monolayer substrate which corresponds to the first substrate 1 illustrated in FIG. 1.
  • nanometric 7 are disposed at the ends of several micromechanical structures 60.
  • one or more nanometric structures 7 may be disposed in the center of the micromechanical structures 60 without changing the invention.
  • This first substrate 1 commonly called “bulk” is therefore only formed 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. 2) on the first face 11 of this first substrate 1.
  • the depth of these alignment marks 13 is greater than the total thickness of the micromechanical structure 60, the nanometric structure 7 and the cavity 4.
  • the first face 11 is protected by an oxidation step intended to form an oxide layer 14 on the first face 11 and then by a step of depositing a nitride layer 15 on the oxide layer 14 (FIG. 3).
  • the oxidation step can be carried out by a thermal process.
  • the deposition step of the nitride layer 15 can be carried out by a chemical vapor deposition process performed at subatmospheric pressure, also known by the acronym LPCVD.
  • the next step is to define the contours of the micromechanical structure 60 and the nanometric structure 7 ( Figure 4).
  • trenches 16 are produced by lithography in the nitride layer 15, in the oxide layer 14 and in a part of the silicon layer 10.
  • the silicon layer 10 is etched to a depth substantially equal to 450 nm. This step makes it possible to precisely align the micromechanical structure 60 and the nanometric structure 7 because they are made from the same mask.
  • the trenches 16 thus formed are then protected by the deposition of a second nitride layer 17 (FIG. 5) on the first nitride layer 15 and in the trenches 16.
  • the step of depositing the second nitride layer 17 can be achieved by a LPCVD type chemical deposition process.
  • the nitride 15 present in the bottom of the trenches 16 delimiting the nanometric structure 7 is then removed by a directional etching, for example by reactive ion etching, also known by the acronym RIE.
  • the silicon present in the silicon layer 10 delimiting the nanometric structure 7 is etched by an isotropic etching so as to burn under the nanometric structure 7 (FIG. 6) in the same way in all directions.
  • Isotropic etching attacks the substrate in several directions. Isotropic etching may be performed by reactive ion etching, also known by the acronym RIE or chemical etching. This isotropic etching makes it possible to form a temporary cavity 18 arranged under the nanometric structure 7.
  • a thermal oxidation of the silicon in the trenches 16 not containing nitride 17 is then carried out until the silicon oxide closes the temporary cavity 18 disposed under the nanometric structure 7 (FIG. 7) and completely replaces the silicon located under the future gauge.
  • a second substrate 2 is sealed to this first substrate 1.
  • 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 of ⁇ 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 made previously are thus covered by this second substrate 2.
  • a thinning of this first substrate 1 is made ( Figure 8). More precisely, the thinning is such that the residual thickness of this first substrate 1 substantially corresponds to the predetermined thickness of the micromechanical structure 60 added to the predetermined depth of the cavity 4. In a conventional manner, this thinning may for example be obtained by grinding or chemical etching.
  • the alignment marks 13 are thus released during the thinning step and are made visible on the side of the second face 12 of the first substrate 1.
  • lithography and simple etching are performed in order to form the abutment 5 and to define the depth of the cavity 4 in the first thinned substrate 1.
  • the dimensions of the cavity 4 and the abutment 5 already correspond to the desired final dimensions below the micrometric structure 60.
  • the thickness of the remaining portion of the first substrate facing the the cavity 4 is substantially equal to the desired final thickness of the micromechanical structure 60.
  • the cavity 4, the abutment 5 and the thickness of the micromechanical structure 60 are defined by this etching.
  • Lithography and deep etching are then carried out (FIG. 10) at the level of the nanometric structure 7 until reaching the oxide previously formed in the temporary cavity 18 situated under the nanometric structure 7.
  • the next step consists in sealing a third substrate 3 with the first substrate 1 to close the cavity 4 thus formed.
  • This third substrate 3 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, and two etchings are performed (Figure 1 1).
  • a first etching removes the oxide present in the temporary cavity 18 under the nanoscale structure 7. This etching can be performed by a humic chemical etching technique, also called wet.
  • the second etching makes it possible to eliminate the nitride layer 17 present in the bottom of the trenches 16.
  • the second etching is carried out by a directional etching, for example by reactive ion etching, also known by the acronym RIE.
  • the electromechanical device thus obtained thus comprises a stack formed of an insulating layer 31 interposed between two solid layers 10, 30.
  • the cavity 4, the micromechanical structure 60, and the nanometric structure 7 are made in one two massive layers of the stack, and the insulating layer 31 forms the bottom of the cavity 4.
  • the manufacturing method presented is therefore simple and globally inexpensive although three substrates are used, it does not use SOI substrate or epitaxy. It notably makes it possible to obtain electromechanical devices of the M & NEMS type which are less cumbersome and more efficient, in which the cavity, the micromechanical structure and the nanometric structure are produced 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 and nanometric structures by simple adjustment of the engraving equipment.

Abstract

The invention relates to an electromechanical device comprising: a stack consisting of an insulating layer (31) inserted between two solid layers (10, 30); a micromechanical structure (60) suspended above a recess (4); and a nanometric structure (7) suspended above the recess (4); the relevant position of the nanometric structure (7) relative to the micrometric structure (60) being defined by the delimitation of the contours of the two structures (7, 60) by etching a first surface of a substrate consisting of a solid layer (10) so as to obtain trenches (16) which define the structures (7, 60).

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UN DISPOSITIF MICRO  METHOD FOR MANUFACTURING A MICRO DEVICE
ELECTROMECANIQUE ET DISPOSITIF CORRESPONDANT  ELECTROMECHANICAL DEVICE AND CORRESPONDING DEVICE
Domaine technique Technical area
L'invention se rapporte au domaine des systèmes électromécaniques formés d'éléments de dimensions micrométriques également appelés MEMS (acronyme pour « Micro-Electromechanical System ») et 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. The invention relates to the field of electromechanical systems formed of elements of micrometric dimensions also called MEMS (acronym for "Micro-Electromechanical System") and elements of nanometric dimensions also called NEMS (acronym for Nano-Electromechanical System "). The invention relates more particularly to a method of manufacturing such a system.
Etat de la technique antérieure State of the art
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 ». Conventionally, to reduce the size of the electromechanical systems while ensuring a good sensitivity of the measurements, it is advantageous to combine micro-electromechanical elements and nanoelectromechanical elements. Such electromechanical systems are now known as M & NEMS for "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 magné tomè très. 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. These M & NEMS systems include force sensors, such as accelerometers, gyrometers, and very low magnetometers. Such 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. These measuring beams may for example be strain gages or resonators. The mass and beam assembly is held in suspension over a cavity. For example, in the case of an accelerometer, during a displacement of the sensor, an inertial force is applied to the moving mass and induces a stress on the measuring beam. Conventionally, in the case of a resonator type measuring beam, the stress applied by the mass induces a variation of the frequency of the resonator, and in the case of a variable resistance type measuring beam, 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. In particular, 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. In addition, 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.
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). 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).
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 second procédé de fabrication décrit dans ce document, la masse mobile est tout d'abord gravée dans un substrat SOI. Une couche de silicium poly cristallin d'épaisseur nanométrique est ensuite déposée en vue de la formation de la jauge de contrainte. Cependant, la faible épaisseur des couches en silicium poly cristallin 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. According to the first manufacturing method described in this document, 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. However, 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. According to the second manufacturing method described in this document, 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. However, 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. In addition, 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.
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. 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. However, 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.
Exposé de l'invention Presentation of the 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) et au moins une structure nanométrique (ou jauge) disposées en suspension au-dessus d'une cavité. Selon l'invention, le procédé de fabrication comprend la délimitation des contours de la structure micromécanique et de la structure nanométrique par gravure d'une première face d'un premier substrat de sorte à obtenir des tranchées délimitant les deux structures. Le premier substrat comporte une unique couche massive. In this context, 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) and at least one nanometric structure (or gauge) disposed in suspension over a cavity. According to the invention, the manufacturing method comprises delimiting the contours of the micromechanical structure and the nanometric structure by etching a first face of a first substrate so as to obtain trenches delimiting the two structures. The first substrate comprises a single solid layer.
Le procédé de fabrication comprend ensuite la formation d'une cavité temporaire disposée sous la structure par gravure isotropique des tranchées délimitant la structure nanométrique de sorte à former la structure nanométrique. The manufacturing method then comprises the formation of a temporary cavity disposed under the structure by isotropic etching of the trenches delimiting the nanometric structure so as to form the nanometric structure.
Pour faciliter le transport de cette structure temporaire, le procédé de fabrication comprend le scellement de la première face du premier substrat avec un second substrat, cette étape est suivie d'un amincissement du premier substrat. De préférence, le second substrat est formé d'au moins une couche massive et d'une couche isolante. To facilitate the transport of this temporary structure, the manufacturing method comprises sealing the first face of the first substrate with a second substrate, this step is followed by thinning of the first substrate. Preferably, the second substrate is formed of at least one solid layer and an insulating layer.
Ce scellement est suivi de la formation de la cavité dans le premier substrat, par gravure d'une seconde face du premier substrat. 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 contact direct avec la seconde face du premier substrat. This sealing is followed by the formation of the cavity in the first substrate, by etching a second face of the first substrate. 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 in direct contact with the second face of the first substrate.
Le transport de cette structure temporaire peut alors être assuré par le troisième substrat et le deuxième substrat est éliminé. Enfin, la première face du premier substrat est gravée de sorte à ouvrir la cavité et former la structure micromécanique. The transport of this temporary structure can then be ensured by the third substrate and the second substrate is eliminated. Finally, the first face of the first substrate is etched so as to open the cavity and form the micromechanical structure.
Le terme « structure micromécanique » fait référence à une structure dont l'épaisseur est de dimensions micrométriques. Le terme « structure nanométrique » fait référence à une structure dont l'un des motifs qui est de largeur nanométrique, par exemple la largeur. En outre, l'épaisseur de la structure nanométrique peut être de dimensions micrométrique. 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 le positionnement respectif des structures micrométriques et nanométriques est réalisé simultanément par une gravure des contours des deux structures 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. The term "micromechanical structure" refers to a structure whose thickness is of micrometric dimensions. The term "nanoscale structure" refers to a structure of which one of the patterns is of nanometric width, for example the width. In addition, the thickness of the nanometric structure may be of micrometric dimensions. Thus, the manufacturing method of the invention is a simple and inexpensive solution that overcomes the alignment problem mentioned above, since the respective positioning of micrometric and nanometric structures is achieved simultaneously by etching the contours of the two. structures 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. The presence of 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. In other words, because of this insulating layer, 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. Furthermore, 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.
Avantageusement, le procédé de fabrication peut en outre comprendre, préalablement au scellement du premier substrat avec le second 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 obtenues de façon classique, par exemple par une technique de gravure. Advantageously, 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. Conventionally, 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.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre, préalablement au scellement du premier substrat avec le second substrat et consécutivement à la réalisation de marques d'alignement, la protection de la première face du premier substrat par une étape d'oxydation destinée à former une couche d'oxyde sur la première face puis par une étape de dépôt d'une couche de nitrure sur la couche d'oxyde. Dans ce mode de réalisation, l'étape de la délimitation des contours de la structure micromécanique et de la structure nanométrique comporte une gravure de la couche d'oxyde et de la couche de nitrure. Cette protection permet de protéger l'aspect extérieur des structures micrométrique et nanométrique. According to one embodiment, the method further comprises, prior to the sealing of the first substrate with the second substrate and subsequent to the production of alignment marks, the protection of the first face of the first substrate by an oxidation step intended to forming an oxide layer on the first face and then by a step of depositing a nitride layer on the oxide layer. In this embodiment, the step of delimiting the contours of the micromechanical structure and the nanometric structure comprises an etching of the oxide layer and the nitride layer. This protection protects the appearance of micrometric and nanometric structures.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre, préalablement à la formation de la cavité temporaire et consécutivement à la délimitation des contours de la structure micromécanique et de la structure nanométrique, la protection des tranchées par le dépôt d'une seconde couche de nitrure. Dans ce mode de réalisation, l'étape de formation de la cavité temporaire est précédée par une étape de gravure du nitrure présent dans le fond des tranchées délimitant la structure nanométrique. Cette protection permet de protéger les contours des structures micrométrique et nanométrique. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre, préalablement au scellement de la première face du premier substrat avec un second substrat, une oxydation du silicium de sorte à boucher la cavité temporaire disposée sous la structure nano métrique. Cette oxydation permet de protéger la face de la structure nanométrique en regard de la cavité pour les étapes ultérieures. According to one embodiment, the method further comprises, prior to the formation of the temporary cavity and subsequent to the delineation of the contours of the micromechanical structure and the nanometric structure, the protection of the trenches by the deposition of a second layer of nitride. In this embodiment, the step of forming the temporary cavity is preceded by a step of etching the nitride present in the bottom of the trenches delimiting the nanometric structure. This protection protects the contours of micrometric and nanometric structures. According to one embodiment, the method further comprises, prior to sealing the first face of the first substrate with a second substrate, an oxidation of the silicon so as to plug the temporary cavity disposed under the nano-metric structure. This oxidation makes it possible to protect the face of the nanometric structure opposite the cavity for the subsequent steps.
Selon un mode de réalisation, la formation de la cavité dans le premier substrat, par gravure d'une seconde face du premier substrat, comporte une première gravure ayant la profondeur de la cavité au niveau de la structure micrométrique et une seconde gravure ayant la profondeur de la cavité au niveau de la structure nanométrique. Avantageusement, la seconde gravure s'étend jusqu'à la cavité temporaire comportant l'oxyde de silicium. According to one embodiment, the formation of the cavity in the first substrate, by etching a second face of the first substrate, comprises a first etching having the depth of the cavity at the level of the micrometric structure and a second etching having the depth of the cavity at the level of the nanometric structure. Advantageously, the second etching extends to the temporary cavity comprising the silicon oxide.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre, préalablement à la réalisation de la cavité, l'amincissement du premier substrat. According to one embodiment, the method further comprises, prior to the production of the cavity, the thinning of the first substrate.
En effet, la couche massive du premier substrat utilisé peut présenter typiquement une épaisseur initiale de plusieurs centaines de micromètres, par exemple 450μηι. 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 50μηι. 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 micromécanique 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 un mode de réalisation, le procédé comprend en outre, simultanément à la réalisation de la cavité, la formation d'au moins une 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 : Indeed, the massive layer of the first substrate used may typically have an initial thickness of several hundred micrometers, for example 450μηι. Moreover, 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 μm. In this case, it is then necessary to provide a prior thinning stage of this massive layer to avoid too deep etchings. 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 micromechanical structure added to the predetermined depth of the cavity. This residual thickness typically corresponds to said useful thickness. In practice, this thinning can be obtained by grinding or chemical etching, mechanical-chemical etching or dry etching. According to one embodiment, the method further comprises, simultaneously with the production of the cavity, the formation of at least one abutment extending from the first substrate towards the third substrate. In practice, the realization of the cavity and the stop (or stopper) can be obtained by:
- 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 Ιμηι) entre l'extrémité libre de la butée et la couche isolante du troisième substrat délimitant le fond de la cavité ; et  - A first lithography and a first etching to partially burn the cavity in the first substrate and to define the height of the stop. The depth of this first etching is therefore substantially equal to the desired distance (for example Ιμηι) between the free end of the abutment and the insulating layer of the third substrate delimiting the bottom of the cavity; and
- une seconde lithographie et une seconde 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 micrométrique.  - A second lithography and a second etching to form definitely the abutment and the cavity. Thus, the stop is secured, not with the bottom of the cavity, but is secured to the active body and in particular to the micrometer structure.
L'invention a également pour objet un dispositif électromécanique comprenant : The subject of the invention is also an electromechanical device comprising:
- un empilement formé d'une couche isolante interposée entre deux couches massives, a stack formed of an insulating layer interposed between two solid layers,
- une structure micromécanique en suspension au-dessus d'une cavité, et  a micromechanical structure suspended over a cavity, and
- une structure nanométrique en suspension au-dessus de la cavité. En pratique :  a nanometric structure suspended above the cavity. In practice :
- 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 ;  the nanomechanical structure may be a deformable measuring element such as a strain gauge, a deformable membrane, or a nano-mechanical resonator;
- 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 comprise entre lOOnm et ΙΟμηι- la structure micromécanique peut présenter une épaisseur inférieure à ΙΟΟμηι et supérieure à 5μηι ; 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 between 100nm and ΙΟμηι- the micromechanical structure may have a thickness less than ΙΟΟμηι and greater than 5μηι;
- les couches massives et la couche fine sont de préférence en silicium et les couches isolantes sont de préférence en oxyde.  the solid layers and the thin layer are preferably made of silicon and the insulating layers are preferably made of oxide.
Brève description des dessins Brief description of the drawings
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 1 à 12 qui 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 nanomé trique s, selon un mode de réalisation de l'invention. Other features and advantages of the invention will emerge clearly from the description which is given below, by way of indication and in no way limiting, with reference to FIGS. 1 to 12 which are diagrammatic views illustrating the steps of the manufacturing process of FIG. an electromechanical device incorporating an active structure of micrometric dimensions and an active structure of nanometric dimensions, according to one embodiment of the invention.
Exposé détaillé de modes de réalisations particuliers Detailed presentation of particular embodiments
Les figures 1 à 12 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 12 et intègre notamment une structure micromécanique 60 d'épaisseur prédéterminée, par exemple 20μηι, en suspension au-dessus d'une cavité 4 de profondeur prédéterminée, par exemple 5μηι. Par exemple, la structure micromécanique 60 est un corps actif formé d'une masse mobile. Le dispositif électromécanique intègre également une structure nanométrique 7 d'épaisseur prédéterminée, par exemple 250nm, en suspension au-dessus de la cavité 4. Par exemple, la structure nanométrique 7 est une jauge de contrainte destinée à mesurer les contraintes subies par la masse mobile de sorte à estimer un déplacement du dispositif électromécanique. Dans une variante, le dispositif électromécanique peut, en outre, comprendre une butée 5 qui s'étend de la structure micromécanique 60 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 1 μηι. Figures 1 to 12 illustrate the various steps of a method of manufacturing an electromechanical device according to one embodiment. In particular, the electromechanical device that it is desired to obtain is illustrated in FIG. 12 and in particular incorporates a micromechanical structure 60 of predetermined thickness, for example 20 μm, suspended above a cavity 4 of predetermined depth, for example 5μηι. For example, the micromechanical structure 60 is an active body formed of a moving mass. The electromechanical device also incorporates a nanometric structure 7 of predetermined thickness, for example 250 nm, in suspension above the cavity 4. For example, the nanometric structure 7 is a strain gauge intended to measure the stresses to which the moving mass is subjected. so as to estimate a displacement of the electromechanical device. Alternatively, the electromechanical device may further comprise a stopper 5 which extends from the micromechanical structure 60 towards the bottom of the cavity 4. For example, the spacing between the free end of the abutment 5 and the bottom of the cavity 4 is substantially equal to 1 μηι.
Plus précisément, la cavité 4, la structure micromécanique 60 et la structure nanométrique 7 sont réalisées, par gravure, dans un même substrat monocouche qui correspond au premier substrat 1 illustré à la figure 1. Dans l'exemple de la figure 1, deux structures nanométriques 7 sont disposées aux extrémités de plusieurs structures micromécaniques 60. En variante, une ou plusieurs structures nanométriques 7 peuvent être disposées au centre des structures micromécaniques 60 sans changer l'invention. More precisely, the cavity 4, the micromechanical structure 60 and the nanometric structure 7 are produced by etching in the same monolayer substrate which corresponds to the first substrate 1 illustrated in FIG. 1. In the example of FIG. nanometric 7 are disposed at the ends of several micromechanical structures 60. Alternatively, one or more nanometric structures 7 may be disposed in the center of the micromechanical structures 60 without changing the invention.
Ce premier substrat 1, communément appelé « bulk », est donc uniquement formé d'une couche massive 10, par exemple une couche de silicium de 450μηι d'épaisseur, et présente deux faces opposées, à savoir une première face 11 et une seconde face 12. This first substrate 1, commonly called "bulk", is therefore only formed of a solid layer 10, for example a silicon layer 450μηι thick, and has two opposite faces, namely a first face 11 and a second face 12.
Tout d'abord, pour assurer un positionnement correct des masques qui seront utilisés lors des gravures, des marques d'alignement 13 sont réalisées (figure 2) sur la première face 11 de ce premier substrat 1. La profondeur de ces marques d'alignement 13 est supérieure à l'épaisseur totale de la structure micromécanique 60, de la structure nanométrique 7 et de la cavité 4. Ensuite, la première face 11 est protégée par une étape d'oxydation destinée à former une couche d'oxyde 14 sur la première face 11 puis par une étape de dépôt d'une couche de nitrure 15 sur la couche d'oxyde 14 (figure 3). Par exemple, l'étape d'oxydation peut être réalisation par un procédé thermique. Par exemple, l'étape de dépôt de la couche de nitrure 15 peut être réalisée par un processus de dépôt chimique en phase vapeur réalisé à pression sous-atmosphérique, également connu sous l'acronyme LPCVD. L'étape suivante consiste à définir les contours de la structure micromécanique 60 et de la structure nanométrique 7 (figure 4). Pour ce faire, des tranchées 16 sont réalisées par lithographie dans la couche de nitrure 15, dans la couche d'oxyde 14 et dans une partie de la couche 10 de silicium. De préférence, la couche 10 de silicium est attaquée sur une profondeur sensiblement égale à 450 nm. Cette étape permet d'aligner précisément la structure micromécanique 60 et la structure nanométrique 7 car elles sont réalisées à partir d'un même masque. Les tranchées 16 ainsi formées sont ensuite protégées par le dépôt d'une seconde couche de nitrure 17 (figure 5) sur la première couche de nitrure 15 et dans les tranchées 16. Par exemple, l'étape de dépôt de la seconde couche de nitrure 17 peut être réalisée par un processus de dépôt chimique de type LPCVD. Le nitrure 15 présent dans le fond des tranchées 16 délimitant la structure nanométrique 7 est ensuite retiré par une gravure directive, par exemple par gravure ionique réactive, également connue sous l'acronyme RIE. Firstly, to ensure correct positioning of the masks that will be used during engraving, alignment marks 13 are made (FIG. 2) on the first face 11 of this first substrate 1. The depth of these alignment marks 13 is greater than the total thickness of the micromechanical structure 60, the nanometric structure 7 and the cavity 4. Then, the first face 11 is protected by an oxidation step intended to form an oxide layer 14 on the first face 11 and then by a step of depositing a nitride layer 15 on the oxide layer 14 (FIG. 3). For example, the oxidation step can be carried out by a thermal process. For example, the deposition step of the nitride layer 15 can be carried out by a chemical vapor deposition process performed at subatmospheric pressure, also known by the acronym LPCVD. The next step is to define the contours of the micromechanical structure 60 and the nanometric structure 7 (Figure 4). To do this, trenches 16 are produced by lithography in the nitride layer 15, in the oxide layer 14 and in a part of the silicon layer 10. Preferably, the silicon layer 10 is etched to a depth substantially equal to 450 nm. This step makes it possible to precisely align the micromechanical structure 60 and the nanometric structure 7 because they are made from the same mask. The trenches 16 thus formed are then protected by the deposition of a second nitride layer 17 (FIG. 5) on the first nitride layer 15 and in the trenches 16. For example, the step of depositing the second nitride layer 17 can be achieved by a LPCVD type chemical deposition process. The nitride 15 present in the bottom of the trenches 16 delimiting the nanometric structure 7 is then removed by a directional etching, for example by reactive ion etching, also known by the acronym RIE.
Puis, le silicium présent dans la couche 10 de silicium délimitant la structure nanométrique 7 est attaqué par une gravure isotrope de sorte à graver sous la structure nanométrique 7 (figure 6) de la même manière dans toutes les directions. Then, the silicon present in the silicon layer 10 delimiting the nanometric structure 7 is etched by an isotropic etching so as to burn under the nanometric structure 7 (FIG. 6) in the same way in all directions.
Une gravure isotrope attaque le substrat dans plusieurs directions. La gravure isotrope peut être réalisée par une gravure ionique réactive, également connue sous l'acronyme RIE ou une gravure chimique. Cette gravure isotrope permet de former une cavité temporaire 18 disposée sous la structure nanométrique 7. Isotropic etching attacks the substrate in several directions. Isotropic etching may be performed by reactive ion etching, also known by the acronym RIE or chemical etching. This isotropic etching makes it possible to form a temporary cavity 18 arranged under the nanometric structure 7.
Une oxydation thermique du silicium dans les tranchées 16 ne contenant pas de nitrure 17 est ensuite réalisée jusqu'à ce que l'oxyde de silicium bouche la cavité temporaire 18 disposée sous la structure nanométrique 7 (figure 7) et remplace totalement le silicium situé sous la future jauge. Pour faciliter la manipulation de ce premier substrat 1, un second substrat 2 est scellé à ce premier substrat 1. Ce second substrat 2 est formé d'une couche massive 20, par exemple une couche de silicium de 450μηι d'épaisseur, et d'une couche isolante 21, par exemple une couche d'oxyde de Ιμηι d'épaisseur. En particulier, la couche isolante 21 du second 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 second substrat 2. Puisque la cavité 4, la structure micromécanique 60, et la structure nanométrique 7 doivent être réalisées dans ce premier substrat 1, un amincissement de ce premier substrat 1 est réalisé (figure 8). Plus précisément, l'amincissement est tel que l'épaisseur résiduelle de ce premier substrat 1 correspond sensiblement à l'épaisseur prédéterminée de la structure micromécanique 60 ajoutée à la profondeur prédéterminée de la cavité 4. De manière classique, cet amincissement peut par exemple être obtenu par meulage ou gravure chimique. A thermal oxidation of the silicon in the trenches 16 not containing nitride 17 is then carried out until the silicon oxide closes the temporary cavity 18 disposed under the nanometric structure 7 (FIG. 7) and completely replaces the silicon located under the future gauge. To facilitate the manipulation of this first substrate 1, a second substrate 2 is sealed to this first substrate 1. This second substrate 2 is formed of a solid layer 20, for example a silicon layer 450μηι thick, and an insulating layer 21, for example an oxide layer of Ιμηι thick. In particular, the insulating layer 21 of the second substrate is brought into direct contact with the first face 11 of the first substrate 1. At this stage, the alignment marks 13 made previously are thus covered by this second substrate 2. Since the cavity 4 , the micromechanical structure 60, and the nanometric structure 7 must be made in this first substrate 1, a thinning of this first substrate 1 is made (Figure 8). More precisely, the thinning is such that the residual thickness of this first substrate 1 substantially corresponds to the predetermined thickness of the micromechanical structure 60 added to the predetermined depth of the cavity 4. In a conventional manner, this thinning may for example be obtained by grinding or chemical etching.
Les marques d'alignement 13 sont ainsi libérées lors de l'étape d'amincissement et sont rendues visibles du côté de la seconde face 12 du premier substrat 1. The alignment marks 13 are thus released during the thinning step and are made visible on the side of the second face 12 of the first substrate 1.
Dans le cas où une butée 5 est prévue, une l ithographie et une gravure simple (figure 9) sont réalisées 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 au-dessous de la structure micrométrique 60. 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. Ainsi, la cavité 4, la butée 5 et l'épaisseur de la structure micromécanique 60 sont définies par cette gravure. Une lithographie et une gravure profonde sont ensuite réalisées (figure 10) au niveau de la structure nanométrique 7 jusqu'à atteindre l'oxyde préalablement formé dans la cavité temporaire 18 située sous la structure nanométrique 7. L'étape suivante consiste à sceller un troisième substrat 3 avec le premier substrat 1 pour fermer la cavité 4 ainsi formée. Ce troisième substrat 3 est également formé d'une couche massive 30, par exemple une couche de silicium d'épaisseur supérieure à 300μηι, et d'une couche isolante 31, par exemple une couche d'oxyde de Ιμηι 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. In the case where a stop 5 is provided, lithography and simple etching (FIG. 9) are performed in order to form the abutment 5 and to define the depth of the cavity 4 in the first thinned substrate 1. At this stage, the dimensions of the cavity 4 and the abutment 5 already correspond to the desired final dimensions below the micrometric structure 60. Moreover, the thickness of the remaining portion of the first substrate facing the the cavity 4 is substantially equal to the desired final thickness of the micromechanical structure 60. Thus, the cavity 4, the abutment 5 and the thickness of the micromechanical structure 60 are defined by this etching. Lithography and deep etching are then carried out (FIG. 10) at the level of the nanometric structure 7 until reaching the oxide previously formed in the temporary cavity 18 situated under the nanometric structure 7. The next step consists in sealing a third substrate 3 with the first substrate 1 to close the cavity 4 thus formed. This third substrate 3 is also formed of a solid layer 30, for example a silicon layer with a thickness greater than 300μηι, and an insulating layer 31, for example an oxide layer of Ιμηι thick. In addition, 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.
Le second substrat 2 est ensuite éliminé, et deux gravures sont effectuées (figure 1 1). Une première gravure permet de supprimer l'oxyde présent dans la cavité temporaire 18 sous la structure nanométrique 7. Cette gravure peut être effectuée par une technique de gravure chimique humique, également appelée wet. The second substrate 2 is then removed, and two etchings are performed (Figure 1 1). A first etching removes the oxide present in the temporary cavity 18 under the nanoscale structure 7. This etching can be performed by a humic chemical etching technique, also called wet.
La seconde gravure permet de supprimer la couche de nitrure 17 présente dans la fond des tranchées 16. De préférence, la seconde gravure est réalisée par une gravure directive, par exemple par gravure ionique réactive, également connue sous l'acronyme RIE. The second etching makes it possible to eliminate the nitride layer 17 present in the bottom of the trenches 16. Preferably, the second etching is carried out by a directional etching, for example by reactive ion etching, also known by the acronym RIE.
Une gravure profonde est ensuite réalisée au niveau de la structure micromécanique 60 afin d'atteindre la cavité 4. Les couches de protection d'oxyde 14 et de nitrure 15, 17 sont ensuite éliminées pour libérer la structure micromécanique 60 et la structure nanométrique 7. Le dispositif électromécanique ainsi obtenu (figure 12) comprend donc un empilement formé d'une couche isolante 31 interposée entre deux couches massives 10, 30. La cavité 4, la structure micromécanique 60, et la structure nanométrique 7 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. Deep etching is then performed at the micromechanical structure 60 to reach the cavity 4. The oxide protection layers 14 and nitride 15, 17 are then removed to release the micromechanical structure 60 and the nanometric structure 7. The electromechanical device thus obtained (FIG. 12) thus comprises a stack formed of an insulating layer 31 interposed between two solid layers 10, 30. The cavity 4, the micromechanical structure 60, and the nanometric structure 7 are made in one two massive layers of the stack, and the insulating layer 31 forms the bottom of the cavity 4.
Le procédé de fabrication présenté est donc simple et globalement peu coûteux bien que trois substrats soient utilisés, il n'utilise pas de substrat SOI ni d'épitaxie. Il permet notamment d'obtenir des dispositifs électromécaniques de type M&NEMS moins encombrants et plus performants, dans lesquels la cavité, la structure micromécanique et la structure nanométrique 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 des structures micrométrique et nanométrique par simple réglage des équipements de gravure. The manufacturing method presented is therefore simple and globally inexpensive although three substrates are used, it does not use SOI substrate or epitaxy. It notably makes it possible to obtain electromechanical devices of the M & NEMS type which are less cumbersome and more efficient, in which the cavity, the micromechanical structure and the nanometric structure are produced 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 and nanometric structures by simple adjustment of the engraving equipment.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'un dispositif électromécanique comprenant au moins une structure micromécanique (60) et au moins une structure nanométrique (7) disposées en suspension au-dessus d'une cavité (4), caractérisé en ce que le procédé comprend : A method of manufacturing an electromechanical device comprising at least one micromechanical structure (60) and at least one nanometric structure (7) arranged in suspension above a cavity (4), characterized in that the method comprises:
- la délimitation des contours de la structure micromécanique (60) et de la structure nanométrique (7) par gravure d'une première face (1 1) d'un premier substrat (1), formé d'une couche massive (10), de sorte à obtenir des tranchées (16) délimitant les deux structures (7, 60) ;  delimiting the contours of the micromechanical structure (60) and the nanometric structure (7) by etching a first face (1 1) of a first substrate (1) formed of a solid layer (10), so as to obtain trenches (16) delimiting the two structures (7, 60);
- la formation d'une cavité temporaire (18) disposée sous la structure (7) par gravure isotropique des tranchées (16) délimitant la structure nanométrique (7) de sorte à former la structure nanométrique (7) ;  the formation of a temporary cavity (18) disposed under the structure (7) by isotropic etching of the trenches (16) delimiting the nanometric structure (7) so as to form the nanometric structure (7);
- le scellement de la première face (1 1) du premier substrat (1) avec un second substrat (2) ;  - sealing the first face (1 1) of the first substrate (1) with a second substrate (2);
- la formation de la cavité (4) dans le premier substrat (1), par gravure d'une seconde face (12) du premier substrat (1) ;  - forming the cavity (4) in the first substrate (1) by etching a second face (12) of the first substrate (1);
- la fermeture de la cavité (4) par scellement de la seconde face (12) du premier substrat (1) avec un troisième substrat (3), le troisième substrat (3) 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) ;  closing the cavity (4) by sealing the second face (12) of the first substrate (1) with a third substrate (3), the third substrate (3) being formed by a solid layer (30) and an insulating layer (31) in direct contact with the second face (12) of the first substrate (1);
- l'élimination du deuxième substrat (2) ; et  the elimination of the second substrate (2); and
- la gravure de la première face (1 1) du premier substrat (1) de sorte à ouvrir la cavité (4) et former la structure micromécanique (60).  etching the first face (1 1) of the first substrate (1) so as to open the cavity (4) and form the micromechanical structure (60).
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 second substrat (2), la réalisation de marques d'alignement (13) sur la première face (1 1) du premier substrat (1). 2. Manufacturing method according to claim 1, characterized in that it further comprises, prior to sealing the first substrate (1) with the second substrate (2), the realization of alignment marks (13) on the first face (1 1) of the first substrate (1).
3. Procédé de fabrication selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, préalablement au scellement du premier substrat (1) avec le second substrat (2) et consécutivement à la réalisation de marques d'alignement (13), la protection de la première face (1 1) du premier substrat (1) par une étape d'oxydation destinée à former une couche d'oxyde (14) sur la première face (1 1) puis par une étape de dépôt d'une couche de nitrure (15) sur la couche d'oxyde (14), l'étape de la délimitation des contours de la structure micromécanique (60) et de la structure nanométrique (7) comportant une gravure de la couche d'oxyde (14) et de la couche de nitrure (15). 3. Manufacturing method according to claim 2, characterized in that it further comprises, prior to sealing the first substrate (1) with the second substrate (2) and subsequent to the achievement of alignment marks (13), the protection of the first face (1 1) of the first substrate (1) by an oxidation step intended to form an oxide layer (14) on the first face (1 1) and then by a deposition step of a nitride layer (15) on the oxide layer (14), the step of defining the contours of the micromechanical structure (60) and the nanoscale structure (7) comprising an etching of the oxide layer (14). ) and the nitride layer (15).
4. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, préalablement à la formation de la cavité temporaire (18) et consécutivement à la délimitation des contours de la structure micromécanique (60) et de la structure nanométrique (7), la protection des tranchées (16) par le dépôt d'une seconde couche de nitrure (17), l'étape de formation de la cavité temporaire (18) étant précédée par une étape de gravure du nitrure (17) présent dans le fond des tranchées (16) délimitant la structure nanométrique (7). 4. Manufacturing method according to one of claims 1 to 3, characterized in that it further comprises, prior to the formation of the temporary cavity (18) and consecutively to the delineation of the contours of the micromechanical structure (60) and the nanometric structure (7), protecting the trenches (16) by depositing a second nitride layer (17), the step of forming the temporary cavity (18) being preceded by a step of etching the nitride (17) present in the bottom of the trenches (16) delimiting the nanometric structure (7).
5. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, préalablement au scellement de la première face (1 1) du premier substrat (1) avec un second substrat (2), une oxydation du silicium de sorte à boucher la cavité temporaire (18) disposée sous la structure nanométrique (7). 5. Manufacturing process according to one of claims 1 to 4, characterized in that it further comprises, prior to sealing the first face (1 1) of the first substrate (1) with a second substrate (2), an oxidation of the silicon so as to plug the temporary cavity (18) disposed under the nanometric structure (7).
6. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la formation de la cavité (4) dans le premier substrat (1), par gravure d'une seconde face (12) du premier substrat (1), comporte une première gravure ayant la profondeur de la cavité (4) au niveau de la structure micrométrique (60) et une seconde gravure ayant la profondeur de la cavité (4) au niveau de la structure nanométrique (7). 6. Manufacturing method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the formation of the cavity (4) in the first substrate (1), by etching a second face (12) of the first substrate (1). ), comprises a first etching having the depth of the cavity (4) at the level of the micrometric structure (60) and a second etching having the depth of the cavity (4) at the level of the nanometric structure (7).
7. Procédé de fabrication selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la seconde gravure s'étend jusqu'à la cavité temporaire (18) comportant l'oxyde de silicium. 7. The manufacturing method according to claims 5 and 6, characterized in that the second etching extends to the temporary cavity (18) comprising the silicon oxide.
5  5
8. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, préalablement à la réalisation de la cavité (4), l'amincissement du premier substrat (1).  8. Manufacturing process according to one of claims 1 to 7, characterized in that it further comprises, prior to the realization of the cavity (4), the thinning of the first substrate (1).
10 9. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 8, 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). 9. Manufacturing process according to one of claims 1 to 8, characterized in that it further comprises, simultaneously with the production of the cavity (4), the formation of at least one stop (5) s' extending from the first substrate (1) towards the third substrate (3).
15 10. Dispositif électromécanique réalisé par un procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 9, le dispositif électromécanique comportant : 10. An electromechanical device produced by a manufacturing method according to one of claims 1 to 9, the electromechanical device comprising:
- un empilement formé d'une couche isolante (31) interposée entre deux couches massives (10, 30),  a stack formed of an insulating layer (31) interposed between two solid layers (10, 30),
- une structure micromécanique (60) en suspension au-dessus d'une cavité (4), et 0 - une structure nanométrique (7) en suspension au-dessus de la cavité (4).  a micromechanical structure (60) suspended above a cavity (4), and 0 - a nanometric structure (7) suspended above the cavity (4).
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