FR2920754A1 - Micro systeme comprenant une poutre deformable par flexion et procede de fabrication - Google Patents
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Abstract
Un micro système mécanique comportant une poutre (140) s'étendant suivant une direction longitudinale (O-y) déformable par flexion, et au moins un élément magnétique (201, 202) créant un champ magnétique. La poutre flexible comporte :- une premier circuit (10) comportant une première géométrie générant, lorsqu'il est parcouru par un courant, une force agissant sur ladite poutre en un endroit spécifique de manière à provoquer un premier mode vibratoire ;- un second circuit (20) comportant une seconde géométrie distincte de la première, et générant, lorsqu'il est parcouru par un courant, une force agissant sur ladite poutre en un second endroit provoquant un second mode vibratoire.
Description
30 Micro système comprenant une poutre déformable par flexion et procédé de fabrication Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne le domaine des circuits électroniques et plus spécifiquement un micro système mécanique comprenant une poutre déformable 10 par flexion ainsi qu'un procédé de fabrication d'une telle poutre déformable. Etat de la technique 15 Les micro système électromécaniques û désignés par l'appellation anglo-saxonne MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) connaissent un développement considérable et ce depuis plusieurs années car ceux-ci permettent d'intégrer une double fonction électrique et mécanique au sein d'un même micro 20 circuit électronique.
On connaît divers systèmes MEMS et notamment des microsystèmes comprenant une poutre se déformant par flexion qui présente l'avantage d'une simplicité de fabrication.
La demande de brevet européen EP 1 705 151 déposée notamment par le titulaire de la présente demande décrit un exemple de micro système comprenant une poutre déformable par flexion, située au dessus d'une électrode couplée par interaction électro-mécanique avec la poutre.
La figure 1 rappelle une vue en perspective d'un tel microsystème comprenant une poutre déformable par flexion, constituée d'un substrat 100 ST06-GR 1-411 25 -2 2920754 comportant une première électrode sur laquelle est fixée une poutre suspendue 140 fixée à ses deux extrémités par deux ancrages 150 positionnés sur le substrat 100 et s'étendant de manière longitudinale suivant un axe O-y. La poutre déformable constitue une première électrode située au dessus d'un élément conducteur 160 s disposée sur le substrat et formant une seconde électrode susceptible d'interagir électrostatiquement avec la poutre.
La figure 2 illustre la poutre suspendue au repos tandis que la figure 3 illustre la même poutre en flexion. On réalise ainsi un ensemble de deux électrodes, respectivement inférieure et supérieure, l'électrode supérieure est susceptible de constituer un résonateur présentant un facteur de qualité de grande valeur.
1s D'une manière générale, il est souhaitable de pouvoir obtenir plusieurs fréquences de résonance pour un même micro-système comportant une poutre déformable en flexion, afin d'étendre la possibilité d'utilisation des systèmes MEMS pour la réalisation de résonateurs.
20 Il est par ailleurs souhaitable de pouvoir réaliser d'autres types de micro-système à poutre déformable, basés notamment sur un actionnement magnétique.
Les publications suivantes sont représentatives de l'état de la technique connue dans ce domaine : Resonator--based maqnetic field sensors par Z. Kadar, A. Bossche, P. M. Sarro, J.R. Mollinger, "Magnetic-Field measurements using an integrated resonant magnetic-field sensor" , Sensors and Actuators A, 70, pp 225-232, 1998.
30 "Electromechanical resonances of SiC and AIN beams under ambient conditions" , par Bruechner K; Forster Ch. , Tonisch K., Cimalla V. , Ambacher O. , Stephan R. , Blau K. , Hein M.A. ST06-GR 1-411 30 -3 2920754 Exposé de l'invention La présente invention a pour but la réalisation d'un micro-système 5 comportant un résonateur commandé magnétiquement facile à fabriquer.
Un autre but de la présente invention consiste à réaliser un micro système comportant un résonateur présentant plusieurs modes vibratoires différents élargissant les possibilités d'application d'un résonateur donné. L'invention réalise ces buts au moyen d'un micro système mécanique comportant une poutre s'étendant suivant une direction longitudinale déformable par flexion, et au moins un élément magnétique créant un champ magnétique.
La poutre flexible comporte :
- une premier circuit comportant une première géométrie générant, lorsque circule un courant, une force agissant sur la poutre flexible en un endroit spécifique de cette dernière afin de provoquer un premier mode vibratoire ; - un second circuit comportant une seconde géométrie distincte de la première, et générant, lorsqu'un courant le parcourt, une force agissant sur ladite poutre en un second endroit influant un second mode vibratoire.
Dans un mode de réalisation, le micro système est disposé sur un substrat en 25 silicium et la poutre flexible est mono cristalline.
Dans un mode de réalisation, le premier circuit réalise une boucle de courant qui s'étend sur toute la longueur de la poutre tandis que ledit second circuit s'étend sur la moitié de la portée de la poutre. Dans un mode particulier, les premier et second circuits sont disposés sur une face horizontale, par exemple sur la face supérieure de la poutre flexible.
Dans un mode spécifique, la poutre comporte, sur une face latérale, ST06-GR1-411 10 4 2920754 - un troisième circuit comportant une troisième géométrie générant, lorsqu'il est parcouru par un courant, une force provoquant un troisième mode vibratoire ; - un quatrième circuit présentant une quatrième géométrie générant, lorsqu'il est 5 parcouru par un courant, une force provoquant un quatrième mode vibratoire.
De préférence, le troisième circuit réalise une boucle de courant dite longue s'étendant sur toute la portée de la poutre, tandis que le quatrième circuit réalise une boucle de courant s'étendant sur la moitié de la portée de la poutre. Dans un mode de réalisation particulier, les troisième et quatrième circuits sont réalisés par des phases successives d'épitaxie et de dopage. Alternativement, les troisième et quatrième circuits comportent des conducteurs réalisés au moyen de vias conducteurs. 15 L'invention réalise également un procédé de fabrication d'un Micro système mécanique comportant une poutre s'étendant suivant une direction longitudinale (O-y) déformable par flexion, et au moins un élément magnétique (201, 202) créant un champ magnétique. Le procédé comporte successivement les étapes :
- préparation du substrat de silicium disposant d'au moins un élément magnétique; - Création de tranchées STI; - croissance par épitaxie sélective d'une couche sacrificielle de Si-Ge, dans une zone délimitée par ladite tranchée de STI - Croissance non-sélective de Silicium et gravure afin de réaliser une poutre flexible fixée à ses deux extrémités par deux ancrages et disposée au-dessus de 30 ladite couche sacrificielle ; -dopages et épitaxies successives de ladite couche de silicium afin de créer un premier et un second circuit conducteur présentant chacun une géométrie propre à faire naître, en coopération avec ledit élément magnétique, une force mécanique influant un mode vibratoire spécifique ; ST06-GR 1-411 10 20 -5- - suppression de ladite couche sacrificielle (120-SiGe) afin de libérer ladite poutre et de permettre sa vibration. Description des dessins D'autres caractéristiques, but et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description et des dessins ci-après, donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs. Sur les dessins annexés : La figure 1 présente une vue en perspective d'un microsystème comprenant une poutre déformable par flexion par interaction électrostatique. Les figures 2 et 3 illustrent respectivement une élévation de la poutre 15 déformable de la figure 1, respectivement au repos et en position déformée. La figure 4a illustre un mode de réalisation particulier d'un micro système comportant une poutre déformable par action magnétique selon la présente invention. La figure 4b illustre un autre mode de réalisation d'un micro système comportant une poutre déformable par action magnétique selon la présente invention.
25 Les figures 5a à 5e illustrent un premier mode de réalisation d'un transistor MOSFET selon la présente invention à partir d'un substrat standard.
La figure 6 illustre le détail du procédé de fabrication des troisième et 30 quatrième circuits disposés sur une des faces latérales de la poutre 140. ST06-GR1-411 10 20 Description d'un mode de réalisation préféré La figure 4a illustre une vue de dessus d'un premier mode de réalisation d'un s micro système comportant une poutre déformable par action magnétique. Le micro système est constitué d'un substrat 100 sur lequel est disposé une poutre flexible suspendue 140, fixée à ses deux extrémités par deux ancrages 150 positionnés sur des structures de type STI (Shallow Trench Insulator dans la littérature anglo-saxonne). La poutre s'étend suivant un axe longitudinal O-y. D'une manière 10 générale, la poutre pourra être réalisée de multiples façons au moyen des techniques standards utilisées en technologie CMOS et bien connues d'un homme du métier. Elle pourra présenter une section carrée ou rectangulaire ou même une section plus complexe en fonction de la résonance recherchée et des modes de vibration qui seront exploités comme on le verra ci-après. 15 Le micro système comporte en outre au moins un élément magnétique disposé dans l'environnement de la poutre flexible et susceptible d'interagir magnétiquement avec elle ou tout conducteur ou circuit électrique disposé sur la poutre. Dans le mode de réalisation de la figure 4a, on observe deux éléments 20 magnétiques, respectivement 201 et 202, qui sont disposés de part et d'autre de l'axe de la poutre flexible, à savoir l'axe 0-y et qui sont aptes à développer chacun un champ magnétique. Clairement, un homme du métier pourra considérer d'autres dispositions particulières en fonction de l'application considéré. 25 Dans le premier mode de réalisation qui est illustré dans la figure 4a, la poutre flexible comporte au moins un premier et un second circuit, respectivement 10 et 20, qui sont susceptibles de voir circuler un courant afin de réaliser une boucle de courant. Les deux circuits présentent des topologies distinctes de manière à interagir de manière spécifique et distincte l'une de l'autre par rapport aux éléments 30 magnétiques 201 et 202 présents dans le micro système. Dans le mode de réalisation qui est illustré, le premier circuit 10 réalise une boucle de courant s'étendant sur toute la portée de la poutre flexible tandis que le ST06-GRI -411 second circuit 20 réalise une boucle de courant circulant sur seulement la moitié de la longueur de la poutre 140. En fonctionnement, les deux circuits 10 et 20 matérialisent deux boucles de courant distinctes soumises, en raison de l'interaction magnétique avec les deux éléments 201 et 202 à des forces de Lorentz spécifiques caractérisées par des noeuds de vibration différents. Il en résulte alors des modes vibratoires distincts pour la poutre flexible 140 10 et, par la suite, de la fréquence caractéristique du résonateur du micro système. Plus particulièrement, en faisant circuler un courant alternatif dans la boucle du premier circuit 10 ù un circuit long dans l'exemple considéré ù on vient actionner la poutre flexible en son milieu, privilégiant un premier mode vibratoire et 1s une première fréquence de résonance pour le micro système, que l'on pourra mesurer simplement en utilisant l'autre circuit (le circuit 20) à des fins de mesure et de détection de la fréquence de résonance fo du résonateur. De tels circuits de mesure qui sont mis en oeuvre dans les circuits de filtrage basés sur des résonateurs de type MEMS sont bien connus d'un homme du métier et ne seront 20 pas décrits plus avant. Lorsque l'on fait circuler, au contraire, un courant d'actionnement alternatif dans le second circuit 20 ù le circuit dit court dans le mode de réalisation considéré ù on vient créer une force de Lorentz se développant en un autre point le 25 long de la poutre flexible et, par conséquent, on vient privilégier un second mode de vibration avec une seconde fréquence de résonance. Dans ce second mode de fonctionnement, le circuit 10 est alors utilisé à des fins de mesure et de détection de la fréquence de résonance comme l'était, auparavant, le second circuit dans ledit premier mode de fonctionnement. 30
On observera, et cela est un avantage particulier du micro système, que la poutre flexible est particulièrement aisée à fabriquer en technologie CMOS, notamment au moyen d'une épitaxie de Silicium, et que les conducteurs des circuits ST06-GR 1-411 25 -8
10 et 20 pourront être très aisément réalisés au moyen de dopages adéquats qui sont bien connus d'un homme du métier.
La figure 4b illustre un second mode de réalisation d'un micro système conforme à la présente invention dans lequel on vient disposer un troisième et un quatrième circuit , respectivement 30 et 40 sur une des faces latérales de la poutre flexible 140. On réalise ainsi une troisième et une quatrième boucle de courant disposées dans un plan vertical (O, x, z) et susceptibles d'interagir à nouveau avec les éléments magnétiques 201 et 202. lo On observe de cette manière que la poutre flexible 140 est susceptible d'offrir un troisième et un quatrième mode de fonctionnement suivant que l'on vient actionner cette poutre, respectivement, par le troisième 30 ou le quatrième circuit 40. Un homme du métier pourra clairement varier les dispositions des différents circuits sur une ou plusieurs faces de la poutre flexible 140. D'autres modes de réalisation sont envisageables dans lesquels, par exemple, seuls les circuits 30 et 40 seront présents dans le micro système. 20 On voit que l'on peut ainsi, très facilement et ce au moyen d'une poutre flexible aisée à fabriquer suivant des techniques SON (Silicon on Nothing) bien connues, sélectionner une ou plusieurs fréquences harmoniques particulières permettant un ou plusieurs modes de fonctionnement possibles pour le résonateur. On pourra ainsi réaliser , et ce au moyen d'un unique micro système MEMS , des circuits de filtrages comportant différentes fréquences caractéristiques. ST06-GR 1-411 15 On décrit ci-après un mode de réalisation particulier d'un micro système en relation avec les figures 5a à 5e, basé sur un substrat semiconducteur, par exemple de type silicium 100. Dans cette description, les techniques préliminaires du procédé qui sont bien connues d'un homme du métier ne seront pas reprises en détail. Comme cela est illustré en figure 5a, le procédé commence par la préparation du substrat de silicium 100 (dit bulk) doté de tranchées STI 101 (Sha!!ow Trench Insolator) permettant d'assurer l'isolation électrique des différentes structures positionnées sur un même substrat. La technique dite STI est bien connue d'un homme du métier et ne sera pas décrite plus avant. Le substrat 100 est, par exemple en silicium monocristallin (Si) qui pourra éventuellement être recouvert, comme illustré dans la figure 5b, d'une couche sacrificielle de SiGe 120. On pourra à ce moment déposer les éléments magnétiques 201 et 202 (non 1s représentés sur la figure) aux endroits appropriés sur le substrat 100. Puis, comme illustré dans la figure 5c, on vient faire croître par épitaxie non sélective une couche de Si. 20 On vient ensuite déposer par épitaxie, comme cela est illustré dans la figure 5d, une couche de Si que l'on vient graver pour lui donner la forme adéquate, à savoir celle d'une poutre flexible 140 fixée à ses deux extrémités sur deux appuis 150 disposés sur les STI 101. On notera qu'une épitaxie successive de Si-Ge et de Si mènera naturellement à une poutre monocrystalline qui présentera un avantage 25 potentiel, à savoir celui d'un résonateur avec un fort coefficient de qualité. On vient ensuite réaliser des dopages successifs sur la poutre flexible 140 de manière à réaliser les circuits 10-20 sur la face supérieure de la poutre. 30 On procède enfin à la suppression de la couche sacrificielle 120 de manière à libérer la poutre suspendue 140, comme cela est illustré dans la figure 5e. ST06-GR 1-411 -10- La figure 6 illustre plus particulièrement la manière de procéder aux dopages sur une face latérale de la poutre afin de réaliser les troisième et quatrième circuits 30 et 40.
Le circuit 30 se compose, comme cela est illustré dans la figure 6, des deux branches conductrices horizontales, respectivement inférieure 31 et supérieure 32 ainsi que d'une branche conductrice verticale 33. De la même manière, le circuit 40 se compose des deux branches lo conductrices horizontales, respectivement inférieure 41 et supérieure 42, ainsi qu'une branche conductrice verticale 43. Dans un mode de réalisation particulier, on réalise une succession de six épitaxies successives, associés chacune à un dopage sélectif, de manière à réaliser 15 les branches conductrices 31, 41, 42 et 32, successivement. On réalise ensuite les interconnections des branches 31 et 32 (resp. 41 et 42) au moyen d'un via métallique 33 (resp. 43) afin de compléter le circuit 30 (resp. 40). Alternativement, les branches verticales 33 et 43 sont réalisées au moyen de dopage en profondeur.
Lorsque la poutre est définitivement achevée, avec ses différents circuits 25 d'actionnement et de mesure sur une ou plusieurs de ses faces, on vient ensuite, comme cela est illustré dans la figure 5d, supprimer la couche de SiGe sacrificielle 120 au moyen de techniques connues (gravure sèche par plasma) et ainsi libérer le résonateur 140, constituant la partie fonctionnelle du résonateur.
30 On notera que l'on pourra achever ensuite la réalisation du micro système en venant réaliser un conditionnement (ou packaging) de ce dernier suivant des techniques bien connues d'un homme du métier. ST06-GR1-411 20 -11- On trouvera en particulier le détail de réalisation d'un tel procédé dans la
publication de N. Abelé, D. Grogg, C. Hibert, F. Casset, P. Ancey et A.M. Ionescu intitulée " 0-level vacuum packaging RT process for MEMS resonators ", DTIP 2007, pp. 33-36 Une fois réalisé, le micro système est inséré dans un circuit électronique de mesure afin de déterminer la fréquence de résonance de la poutre flexible. En pratique , on dispose le dipôle formé par le circuit servant à la détection dans une boucle d'oscillation utilisant un amplificateur quelconque et dont on vient mesurer la
Io fréquence d'oscillation pour déterminer la fréquence de résonance. De tels circuits sont bien connus d'un homme du métier et, pour cette raison, ne seront pas décrits plus avant. ST06-GR 1-411 -12 -
Claims (10)
1. Micro système mécanique comportant une poutre (140) s'étendant suivant une direction longitudinale (O-y) déformable par flexion, et au moins un élément magnétique (201, 202) créant un champ magnétique, caractérisé en ce que ladite poutre (140) comprend : - une premier circuit (10) comportant une première géométrie générant, lorsqu'il est lo parcouru par un courant, une force agissant sur ladite poutre en un endroit spécifique de manière à provoquer un premier mode vibratoire ; - un second circuit (20) comportant une seconde géométrie distincte de la première, et générant, lorsqu'il est parcouru par un courant, une force agissant sur ladite poutre en un second endroit provoquant un second mode vibratoire. 15
2. Micro système mécanique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un substrat (100) de silicium et que ladite poutre est une poutre mono cristalline réalisée par épitaxie Si. 20
3. Micro système mécanique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit premier circuit (10) réalise une boucle de courant s'étendant sur toute la longueur de la poutre tandis que ledit second circuit (20) réalise une boucle de courant s'étendant sur la moitié de la longueur de la poutre (140). 25
4. Micro système mécanique selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits premier et second circuit sont disposés sur une face horizontale de ladite poutre (140).
5. Micro système mécanique selon l'une des revendications précédentes 30 caractérisé en ce que ladite poutre (140) comporte, sur une face latérale : - un troisième circuit (30) comportant une troisième géométrie générant, lorsqu'il est parcourue par un courant, une force provoquant un troisième mode vibratoire ; - un quatrième circuit (40) présentant une quatrième géométrie générant, lorsqu'il est parcouru par un courant, une force provoquant un quatrième mode vibratoire. ST06-GR1-411 14 Novembre 2007- 13 -
6. Microsystème mécanique selon la revendication 5 caractérisé en ce que ledit troisième circuit (30) réalise une boucle de courant s'étendant sur toute la longueur de ladite poutre (140) tandis que ledit quatrième circuit (40) réalise une boucle de courant s'étendant sur la moitié de la portée de ladite poutre (140) .
7. Microsystème mécanique selon la revendication 5 caractérisé en ce que lesdits troisième et quatrième circuits (30, 40) sont réalisés par des phases successives d'épitaxie et de dopage. 10
8. Microsystème mécanique selon la revendication 5 caractérisé en ce que les branches verticales desdits troisième et quatrième circuit sont réalisés au moyen de vias métalliques.
9. Micro système mécanique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il 1s comporte des moyens de détection de la fréquence de résonance de ladite poutre (140) utilisant ledit premier ou second circuit (10, 20) .
10. Procédé de fabrication d'un Micro système mécanique comportant une poutre (140) s'étendant suivant une direction longitudinale (O-y) déformable par flexion, et 20 au moins un élément magnétique (201, 202) créant un champ magnétique, comportant les étapes suivantes : - préparation du substrat de silicium (100) disposant d'au moins un élément magnétique (201, 202); - Création de tranchées de STI ; 25 - croissance d'une couche sacrificielle par épitaxie sélective d'une couche de Si-Ge ; - Croissance par épitaxie non-sélective d'une couche de Si dans une zone délimitée par ladite tranchée STI et gravure afin de réaliser une poutre flexible fixée à ses deux extrémités par deux ancrages et disposée au-dessus de ladite couche 30 sacrificielle ; - dopages et épitaxies successives de ladite couche afin de déposer au moins un premier et un second circuit conducteur (10, 20) présentant une géométrie propre de nature à faire naître, en coopération avec ledit élément magnétique (201, 202), une force mécanique provoquant un mode vibratoire spécifique. ST06-GR 1-4115- 14 - - suppression de ladite couche sacrificielle (120) afin de libérer ladite poutre et de permettre sa vibration. ST06-GR 1-411
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