FR2713343A1 - Détecteur d'accélération en matériau cristallin et procédé pour la fabrication de ce détecteur d'accélération. - Google Patents

Détecteur d'accélération en matériau cristallin et procédé pour la fabrication de ce détecteur d'accélération. Download PDF

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Abstract

a/ Détecteur d'accélération en un matériau cristallin et procédé pour la réalisation de ce détecteur. b/ Une masse sismique (10) en forme de bande, en matériau polycristallin, dont la suspension aux zones terminales est assuré par des barrettes de suspension (11) en matériau monocristallin, permet un déplacement dans la direction longitudinale lors de l'apparition d'une accélération. A partir de cette masse (10) s'étendent transversalement par rapport à sa direction longitudinale des plaques parallèles (13) qui, conjointement avec d'autres plaques (14) ancrées sur une base (16, forment un agencement de condensateur et sont constituées notamment d'un matériau monocristallin. Au moins le matériau monocristallin est dopé pour obtenir une conductibilité électrique.

Description

" Détecteur d'accélération en matériau cristallin et procé-
dé pour la fabrication de ce détecteur d'accélération "
Etat de la technique.
La présente invention concerne un détecteur d'ac-
célération en matériau cristallin avec une masse sismique en forme de bande dont la suspension aux zones d'extrémités au moyen de barrettes de suspension, permet un déplacement dans la direction longitudinale lors de l'apparition d'une accélération, et avec des plaques parallèles s'étendant à
partir de la masse transversalement par rapport à la direc-
tion longitudinale de celle-ci, et formant conjointement avec d'autres plaques parallèles à celles-ci, ancrées sur
une base, un agencement de condensateur.
Dans le cas d'un détecteur d'accélération de ce type, connu par les brevets US-4 711 128 et 4 663 972, la
masse sismique suspendue élastiquement et les plaques ve-
nant en prise les unes dans les autres pour la formation
d'un condensateur ou d'un détecteur d'accélération capaci-
tif, sont en matériau monocristallin, notamment du quartz ou du silicium monocristallin. Pour réaliser une telle
structure, des tranchées sont tout d'abord de réalisées fa-
çon habituelle dans une épitaxie par une gravure aniso-
trope, et les structures ainsi formées sont ensuite
détachées de la base par une gravure isotrope sous-jacente.
L'inconvénient de cette disposition réside en ce que, lors de la gravure isotrope sous-jacente, le matériau est enlevé
des deux côtés essentiellement sous une forme demi-
cylindrique comme ceci est représenté sur la figure 2. Cela signifie que lors de la gravure sous-jacente d'une plaque de largeur déterminée, la hauteur de l'évidement correspond essentiellement à sa largeur. La conséquence en est que dans le cas d'une faible hauteur d'épitaxie, de par exemple gm, on ne peut traiter par gravure sous-jacente que des structures très étroites. Il est en conséquence difficile de former une masse sismique suffisamment importante avec
cette limitation de la largeur. Un autre inconvénient ré-
side en ce que lors d'une réalisation en silicium monocris-
tallin la mise en contact et la passivation des conducteurs
nécessaires amenés au détecteur, sont problématiques.
Dans le cas d'un détecteur d'accélération connu par le document WO 92/30740, qui est réalisé par des moyens de micromécanique, des surfaces telles que notamment les structures de condensateur et les barrettes de suspension sont constituées de silicium polycristallin. L'inconvénient
d'un matériau polycristallin réside en la possibilité limi-
tée d'activation des substances de dopage. Spécialement dans le cas de détecteurs fonctionnant dans la zone des basses accélérations, les barrettes de suspension pour de
la masse sismique doivent être prévues très longues et min-
ces. Pour obtenir une conductibilité élevée un dopage élevé est toutefois nécessaire. La partie du matériau de dopage
qui se loge dans les limites des grains du matériau poly-
cristallin et qui n'est donc pas électriquement activée,
peut contribuer à une augmentation de la tension de com-
pression et, dans le cas d'un gradient de concentration, également à un gradient de tension. Après le dégagement des structures il se produit un relèvement des barrettes de
suspension fixées des deux côtés, et une courbure des pla-
ques de condensateur maintenues d'un côté. Ces deux effets limitent la grandeur maximale susceptible d'être atteinte et la conductibilité de la structure. En outre, la masse sismique, du fait de la modification de longueur et de la tension de compression dans les barrettes de suspension, peut prendre de façon indésirable différentes positions préférentielles qui altèrent sa libre mobilité.
Avantages de l'invention.
Pour remédier à ces inconvénients l'invention con-
cerne un détecteur d'accélération caractérisé en ce que les composants du détecteur d'accélération sont constitués en
partie d'un matériau monocristallin et en partie d'un maté-
riau polycristallin.
Ceci présente l'avantage que grâce à la combinai-
son d'un matériau monocristallin et d'un matériau polycris-
tallin les inconvénients précédemment mentionnés ne se produisent plus, c'est-à-dire que du fait de l'utilisation
d'un matériau polycristallin pour la masse sismique, celle-
ci peut être prévue très large et donc très importante. Le dégagement peut s'effectuer par une gravure sélective de la
couche réactive. Par contre, les structures longues et min-
ces, telles que les plaques parallèles de l'agencement de
condensateur et les barrettes de suspension, pour lesquel-
les la conductibilité doit être maximale et la déformation
minimale, sont de façon avantageuse constituées d'un maté-
riau monocristallin. Pour des structures étroites en forme de plaques de ce type, la gravure isotrope sous-jacente n'offre aucun inconvénient. Des valeurs de conductibilité élevée peuvent être obtenues avec un dopage réduit. On peut
obtenir une mise en contact simple du détecteur dans le ca-
dre d'un processus de circuit intégré standard avec passi-
vation des conducteurs d'amenée.
Suivant d'autres caractéristiques de l'invention,
des compléments avantageux et des' améliorations du détec-
teur d'accélération indiqué plus haut sont possibles.
Le matériau cristallin est de préférence du sili-
cium, la base étant constituée de silicium monocristallin.
Les barrettes de suspension s'étendent de façon
fonctionnelle transversalement par rapport au sens longitu-
dinal de la masse sismique et sont à leurs extrémités li-
bres ancrées sur la base ou bien sur une épitaxie rapportée sur cette base. Les plaques parallèles et/ou les barrettes de suspension comportent respectivement des surfaces latérales gravées de façon anisotrope et une face inférieure gravée
de façon isotrope.
Les autres plaques parallèles non reliées à la masse sismique, sont ancrées sur la base à leur extrémité éloignée de la masse sismique, seule la zone d'ancrage
étant constituée d'un matériau polycristallin. Il en ré-
sulte la possibilité qu'une zone d'arrêt protégée tout au-
tour de l'oxyde réactif pendant la gravure isotrope, puisse subsister.
La masse sismique et/ou les zones d'ancrage com-
portent respectivement des surfaces latérales gravées de façon anisotrope et une face inférieure formée par gravure d'oxyde réactif. Grâce à l'utilisation d'oxyde réactif, la
masse sismique peut être augmentée presque à volonté.
Le détecteur d'accélération comporte en outre de
façon avantageuse au moins un circuit intégré sur l'épi-
taxie à côté de la zone de détection, de sorte que le dé-
tecteur et le circuit d'exploitation sont susceptibles de
figurer sur un même composant. La structure selon l'inven-
tion permet une intégration économique du circuit électro-
nique d'exploitation.
L'invention concerne également un procédé de fa-
brication d'un détecteur d'accélération, caractérisé en ce que la base monocristalline (16) est rapportée une couche
d'oxyde réactif (21) et sur cette couche une couche de dé-
marrage polycristalline, tandis que la configuration et la
disposition de ces couches (21) sont adaptées essentielle-
ment à celles de la masse sismique (10) et de la zone d'an-
crage pour les autres plaques parallèles, en ce que, dans une étape d'épitaxie suivante, un matériau polycristallin
est rapporté sur la couche de démarrage et un matériau mo-
nocristallin sur le reste, en ce que des structures planes de la masse sismique, des plaques parallèles, des zones d'ancrage et des barrettes de suspension sont formées par gravure anisotrope de tranchées, en ce que, par gravure isotrope sous-jacente, les faces inférieures des plaques parallèles et des barrettes de suspension sont dégagées, et en ce qu'ensuite la couche d'oxyde réactif est enlevée par gravure. Dessins. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un mode de réalisation représenté sur les dessins annexés dans lesquels: - La figure 1 est la vue de dessus d'un détecteur
d'accélération en tant qu'exemple de réalisation de l'in-
vention. - La figure 2 est une vue en perspective de la
zone de maintien d'une plaque de l'agencement de condensa-
teur, ancrée sur la base.
- Les figures 3 à 5 montrent en coupe verticale le détecteur d'accélération selon l'invention à différents stades de sa fabrication, tandis que pour des raisons de
simplification de la zone de détection, seule est représen-
tée la partie d'ancrage d'une plaque sur la base.
- La figure 6 est une représentation à plus
grande échelle de la zone médiane de la figure 3.
Description de l'exemple de réalisation.
Le détecteur d'accélération représenté en vue de dessus sur la figure 1 est constitué par une masse sismique en forme de bande, en silicium polycristallin. A ses deux extrémités s'étendent respectivement des deux côtés
perpendiculairement à la direction longitudinale, deux min-
ces barrettes de suspension 11 en silicium monocristallin
qui sont reliés d'un seul tenant à l'épitaxie 12 en sili-
cium monocristallin entourant la zone du détecteur. Ainsi la masse sismique 10 peut se déplacer dans sa direction
longitudinale par rapport à l'épitaxie 12 lors de l'inter-
vention d'accélérations correspondantes.
Sur les deux côtés longitudinaux de la masse sis-
mique 10 sont rapportées, perpendiculairement à la direc-
tion longitudinale de la masse sismique 10, des plaques minces 13, allongées, réalisées sous la forme de plaques de condensateur. Ces plaques sont constituées d'un matériau monocristallin.D'autres plaques 14 venant respectivement en prise les unes dans les autres à la façon de doigts,
s'étendent entre ces plaques parallèles 13 et sont réali-
sées sous la forme de plaques de condensateur qui, à leur extrémité opposée à la masse sismique 10 sont reliées à la base 16 placée en dessous, par l'intermédiaire de zones d'ancrage 15. Les plaques 13, 14 sont ainsi disposées à la façon de poutres encastrées d'un seul côté. Les plaques 13
d'une part et les plaques 14 d'autre part sont respective-
ment reliées électriquement ensemble à partir du bas, d'une façon non représentée plus en détail, et constituent un agencement de condensateur dont la capacité se modifie lors d'un déplacement longitudinal de la masse sismique 10, de sorte que par ce moyen l'accélération peut être détectée
par l'intermédiaire de la capacité se modifiant.
Les plaques 13, 14 sont constituées de silicium
monocristallin tandis que les zones d'ancrage 15 sont cons-
tituées de silicium polycristallin. Les lignes en tirets représentent de façon simplifiée d'autres plaques 13, 14 en
agencement parallèle.
Des évidements rectangulaires 17 formés dans la
masse sismique 10 servent à simplifier le procédé de gra-
vure.
Pour la réalisation de ce détecteur d'accéléra-
tion, contrairement à la micromécanique conventionnelle des surfaces, il n'est pas utilisé pour la précipitation, un réacteur LPCVD (procédé de dépôt chimique à la vapeur basse pression) mais un réacteur d'épitaxie. Le procédé va être
décrit ci-après à l'aide des figures 2 et 3.
Tout d'abord, on rapporte sur la base en forme de
plaque 16 les conducteurs d'amenée 18 nécessaires au détec-
teur, pour lesquels on utilise une couche incorporée prévue dans le processus de circuit intégré. Ensuite, on fait
croître tout d'abord sur toute la surface un oxyde thermi-
que 19 mince (50 nm). Sur cet oxyde est déposée une couche isolante 20 résistant à l'acide fluorhydrique. Dans ce cas il peut par exemple s'agir d'une couche de nitrure de 140 nm d'épaisseur. Sur cette couche est rapportée la couche
d'oxyde réactif proprement dite 21 qui peut être par exem-
ple une couche LTO de 1,2 gm d'épaisseur. Sur cette couche est alors déposée une couche de démarrage, non représentée plus en détail, en polysilicium LPCVD (procédé de dépôt chimique à la vapeur basse pression) En premier lieu cette couche de démarrage assure à l'étape d'épitaxie suivante
une croissance continue dans la zone de transition poly-
cristalline/monocristalline. La conductibilité de cette
couche peut être augmentée par une implantation.
Ensuite le paquet de couches décrit ci-dessus est enlevé par l'intermédiaire d'une étape photo et d'une série
de processus de gravure partout o du matériau monocristal-
lin doit croître, c'est-à-dire que ces couches subsistent seulement dans la zone de la masse sismique 10 et des zones d'ancrage 15. En outre, certaines zones de ce paquet de
couches doivent encore subsister afin que lors de la gra-
vure anisotrope des tranchées venant en suite (gravure de séparation) on obtienne un signal de point final comme cela sera explicité plus loin. Ces zones doivent par exemple subsister en des zones de bordure sans importance de la
tranche de silicium.
On effectue alors un traitement dans un réacteur
d'épitaxie, traitement lors duquel, sur les zones non re-
couvertes dégagées du paquet de couches, une couche mono-
cristalline de par exemple 11 gm d'épaisseur croît (épitaxie 12), tandis que sur la couche de démarrage donc sur les zones subsistantes du paquet de couches 19 à 21, une couche polycristalline d'épaisseur à peu près identique croît. Lors de la croissance de cette couche il est obtenu un cône monocristallin 100 sortant de la base 16, qui est
ensuite solidement relié à la barrette d'ancrage 25. La si-
tuation après le traitement dans le réacteur d'épitaxie est
représentée sur la figure 3 ou la figure 6.
Maintenant, sur la zone monocristalline, donc sur l'épitaxie monocristalline 12, on réalise complètement, à l'aide d'un processus standard, un circuit d'exploitation 22. Celui-ci est représenté schématiquement sur la figure 4.
Après un recouvrement par un masque de laque ap-
propriée, des tranchées anisotropes 23 sont maintenant gra-
vées dans la zone de détecteur pour obtenir la structure représentée sur la figure 1. La profondeur de ces tranchées
correspond essentiellement à l'épaisseur de la couche poly-
cristalline. Pour la fin du processus de gravure, on choi-
sit l'instant o la ligne de fluor monte du fait que
l'oxyde réactif a été atteint.
A cet effet, on utilise les zones du paquet de
couches qui subsistent dans ce but, par exemple sur des zo-
nes de bordure sans importance. Deux tranchées 23 sont re-
présentées schématiquement sur les figures 4 et 5. Les parois latérales qui ont été formées sont ensuite passivées
soit par un oxyde soit par un polymère déposé in situ (DE-
A-43 17 623). Après l'enlèvement de la passivation sur le fond des tranchées les plaques monocristallines 13, 14 et les barrettes de suspension 11 sont traitées par gravure
sous-jacente isotrope, et dégagées. Les zones polycristal-
lines du détecteur sont alors protégées par la couche
d'oxyde réactif 21 avant la gravure sous-jacente. Le trai-
tement par gravure sous-jacente doit être poursuivi jusqu'à
ce que les zones monocristallines soient également complè-
tement dégagées du substrat sur la surface frontale, à la transition vers la zone polycristalline. Avec la longueur de l'étape de gravure, d'éventuelles gravures excédentaires
peuvent être compensées lors de la gravure anisotrope pré-
cédente Une zone 24 traitée par gravure isotrope sous-
jacente est nettement représentée sur la figure 2.
Finalement, les zones polycristallines sont éga-
lement dégagées par une gravure d'oxyde réactif. Les par-
ties des conducteurs d'amenée 18 au détecteur restent alors passivées par la double couche 19, 20. Sans cette passivation, des transitions pn ouvertes sur la surface du
substrat provoqueraient des courants de fuite importants.
Tandis que la masse sismique 10 est complètement traitée par gravure sous-jacente, au-dessous des zones d'ancrage 15 la couche d'oxyde réactif 21 disposée autour d'une barrette d'ancrage polycristalline 25 est enlevée, de sorte que cette barrette d'ancrage est tout d'abord protégée, lors de la gravure isotrope sous-jacente des zones monocristallines par l'oxyde réactif, et reste en place lors de l'enlèvement par gravure à l'oxyde réactif. La situation alors atteinte
est représentée sur la figure 4.
Pendant la gravure, le circuit d'exploitation 22 est protégé par une couche de protection 26, par exemple
une laque de protection. Celle-ci est enlevée après la gra-
vure et l'ensemble du détecteur d'accélération est complè-
tement recouvert d'une laque de protection 27 qui constitue une protection lors du découpage du substrat en détecteurs
d'accélération individuels. Une telle protection peut éga-
lement être obtenue par d'autres moyens, par exemple en re-
couvrant la zone du détecteur d'un capot.
Comme exposé précédemment, la figure 2 montre en une vue partielle la zone d'ancrage 15 pour une plaque 14 dans un état o la gravure isotrope sous-jacente a déjà eu lieu, mais o la couche d'oxyde réactif 21 n'a pas encore été enlevée. Cette figure 2 pourrait également représenter
la transition entre la masse polycristalline 10 et une pla-
que monocristalline 14 fixée sur elle. Egalement sur les figures 3 à 5 une zone d'ancrage 15 et une plaque 14 sont seulement représentées à titre d'exemple, pour préciser le
processus de gravure.
Les processus de dopage nécessaires pour obtenir la conductibilité électrique voulue de la masse sismique , des barrettes de suspension 11 et des plaques 13, 14,
sont réalisés de façon connue pendant le processus de fa-
brication.

Claims (15)

R E V E N D I C A T I O N S
1- Détecteur d'accélération en matériau cristallin
avec une masse sismique en forme de bande dont la suspen-
sion aux zones d'extrémités au moyen de barrettes de sus-
pension, permet un déplacement dans la direction longitudinale lors de l'apparition d'une accélération, et avec des plaques parallèles s'étendant à partir de la masse transversalement par rapport à la direction longitudinale de celle-ci, et formant conjointement avec d'autres plaques parallèles à celles-ci, ancrées sur une base, un agencement de condensateur, détecteur d'accélération caractérisé en ce que les composants (10, 11, 13, 14) du détecteur d'accélération sont constitués en partie d'un matériau monocristallin et
en partie d'un matériau polycristallin.
2- Détecteur d'accélération selon la revendication
1 caractérisé en ce que la masse sismique (10) est consti-
tuée d'un matériau polycristallin tandis que les plaques parallèles (13, 14) ainsi que les barrettes de suspension (11) sont constituées d'un matériau monocristallin, et
qu'au moins le matériau monocristallin est dopé pour obte-
nir une conductibilité électrique.
3- Détecteur d'accélération selon la revendication i ou la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau
cristallin est du silicium.
4- Détecteur d'accélération selon l'une des précé-
dentes revendications caractérisé en ce que la base (16)
est constituée de silicium monocristallin.
- Détecteur d'accélération selon l'une des précé-
dentes revendications caractérisé en ce que les barrettes
de suspension (11) s'étendent transversalement par rapport à la direction longitudinale de la masse sismique (10) et sont ancrées à leurs extrémités libres sur la base (16)
bien sur une épitaxie (12) rapportée sur cette base.
6- Détecteur d'accélération selon l'une des précé-
dentes revendications, caractérisé en ce que les plaques
parallèles (13, 14) et/ou les barrettes de suspension (11) comportent respectivement des surfaces latérales gravées de façon anisotrope et une face inférieure traitée par gravure
isotrope sous-jacente.
7- Détecteur d'accélération selon l'une des précé-
dentes revendications, caractérisé en ce que les autres
plaques parallèles (14) ne sont ancrées sur la base (16) qu'à leur extrémité éloignée de la masse sismique (10),
seules les zones d'ancrage (15) étant constituées d'un ma-
tériau polycristallin
8- Détecteur d'accélération selon l'une des précé-
dentes revendications, caractérisé en ce que la masse sis-
mique (10) et/ou les zones d'ancrage (15) comportent
respectivement des surfaces latérales gravées de façon ani-
sotrope et une face inférieure formée par une gravure
d'oxyde réactif.
9- Détecteur d'accélération selon la revendication 8, caractérisé en ce que les faces inférieures des zones
d'ancrage (15) comportent respectivement au moins une bar-
rette d'ancrage (25) vers la base (16) qui était entourée
par l'oxyde réactif (21).avant la gravure d'oxyde réactif.
- Détecteur d'accélération selon l'une des pré-
cédentes revendications, caractérisé en ce que les plaques
parallèles (13) ancrées à la masse sismique (10) et les
plaques supplémentaires (14) ancrées sur la base (16) s'en-
gagent les unes dans les autres à la façon de peignes.
11- Détecteur d'accélération selon l'une des pré-
cédentes revendications, caractérisé en ce qu'il possède
encore en supplément au moins un circuit intégré (22) sur
l'épitaxie (12) à côté de la zone de détection.
12- Procédé pour la réalisation d'un détecteur
d'accélération en matériau cristallin selon l'une des pré-
cédentes revendications, procédé caractérisé en ce que sur
la base monocristalline (16) est rapportée une couche
d'oxyde réactif (21) et sur cette couche une couche de dé-
marrage polycristalline, tandis que la configuration et la
disposition de ces couches (21) sont adaptées essentielle-
ment à celles de la masse sismique (10) et de la zone d'an- crage (15) pour les autres plaques parallèles (14), en ce
que, dans une étape d'épitaxie suivante, un matériau poly-
cristallin est rapporté sur la couche de démarrage et un
matériau monocristallin sur le reste, en ce que des struc-
tures planes de la masse sismique (10), des plaques paral-
lèles (13, 14), des zones d'ancrage (15) et des barrettes de suspension (11) sont formées par gravure anisotrope de
tranchées (23), en ce que, par gravure isotrope sous-
jacente, les faces inférieures des plaques parallèles (13, 14) et des barrettes de suspension (11) sont dégagées, et en ce qu'ensuite la couche d'oxyde réactif (21) est enlevée
par gravure.
13- Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que avant l'apport de la couche d'oxyde réactif (21), une mince couche thermique d'oxyde (19), et sur celle-ci une couche (20) constituée d'acide, sont rapportées sur la base (16), et en ce que ces couches, dans un processus de
gravure suivant, sont enlevées partout o un matériau mono-
cristallin doit croître.
14- Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que les couches (19-21) dans la partie médiane des zones d'ancrage (15) pour les autres plaques parallèles (14), sont enlevées de façon que la zone médiane dégagée
est complètement entourée par un bord de ces couches (19-
21).
- Procédé selon l'une des revendications 12 à
14, caractérisé en ce que le circuit intégré (22) est com-
plètement réalisé sous la forme d'une épitaxie (12) après formation de la couche monocristalline
16- Procédé selon l'une des revendications 12 à
, caractérisé en ce que la gravure anisotrope des tran-
chées (23) s'effectue au moyen d'un masque de laque.
17- Procédé selon l'une des revendications 12 à
16, caractérisé en ce que les parois latérales perpendicu-
laires formées lors de la gravure anisotrope sont passi-
vées.
18- Procédé selon l'une des revendications 12 à 17
caractérisé en ce qu'un dopage de la zone cristalline est
effectué pendant le processus de fabrication.
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