FR2940797A1

FR2940797A1 - MICROTECHNICAL SYSTEM AND METHOD FOR MANUFACTURING SUCH A SYSTEM

Info

Publication number: FR2940797A1
Application number: FR1050024A
Authority: FR
Inventors: Torsten Ohms; Carsten Raudzis
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-01-07
Filing date: 2010-01-05
Publication date: 2010-07-09
Anticipated expiration: 2030-01-05
Also published as: FR2940797B1; DE102009000048A1; ITMI20092345A1; IT1397526B1

Abstract

Système microtechnique (1) comprenant un substrat (2) et un encapsulage (3). Le substrat (2) et l'encapsulage (3) forment une première chambre (4a) et une seconde chambre (4b) dans lesquelles règnent des pressions (p1, p2) différentes.Microtechnic system (1) comprising a substrate (2) and an encapsulation (3). The substrate (2) and the encapsulation (3) form a first chamber (4a) and a second chamber (4b) in which different pressures (p1, p2) prevail.

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention concerne un système microtechnique et un procédé de fabrication d'un tel système microtechnique. Les capteurs inertiels réalisés en technique de microsys- tèmes sont en général logés dans une cavité encapsulée. Cette solution a notamment pour but de protéger les capteurs contre les influences de l'environnement et de garantir leur fonctionnement dans une atmosphère définie. Les pressions que l'on règle à cet effet dans la cavité sont différentes pour les capteurs de vitesse de rotation et les capteurs d'accélération. Alors que pour les capteurs de vitesse de rotation on applique une pression intérieure faible par exemple de quelques mbars, qui assure une qualité de fonctionnement élevée à l'oscillateur et permet ainsi des amplitudes importantes pour des tensions d'entraînement fai- ble, dans le cas des capteurs d'accélération on applique intentionnelle-ment une pression plus élevée allant par exemple jusqu'à plusieurs 100 mbars, pour amortir le fonctionnement de ces capteurs. Il existe différentes propositions pour encapsuler les capteurs, par exemple en appliquant des fixations de plaquette avec du verre de scellement, par liaison eutectique ou par un procédé d'encapsulage en couche mince. Toutes ces propositions sont toutefois exécutées au niveau de la plaquette de façon que toutes les puces formées sur une plaquette auront ultérieurement la même pression intérieure si bien qu'il n'est pas avantageux de fabriquer de cette manière des capteurs de vitesse de rotation et des capteurs d'accélération, simultanément sur une même plaquette. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un système microtechnique comprenant un substrat et un encapsulage : - le substrat et l'encapsulage formant au moins une première chambre et une seconde chambre, des pressions différentes règnent dans la première chambre et dans la seconde chambre. FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a microtechnical system and a method of manufacturing such a microtechnical system. Inertial sensors made in microsystems are usually housed in an encapsulated cavity. This solution is intended in particular to protect the sensors against environmental influences and to guarantee their operation in a defined atmosphere. The pressures that are set for this purpose in the cavity are different for the speed sensors and the acceleration sensors. Whereas for rotational speed sensors, a low internal pressure, for example a few mbar, is applied, which ensures high oscillator performance and thus allows large amplitudes for low drive voltages, in the In the case of acceleration sensors, a higher pressure, for example up to several 100 mbar, is intentionally applied to dampen the operation of these sensors. There are various proposals for encapsulating the sensors, for example by applying wafer fasteners with sealing glass, by eutectic bonding or by a thin film encapsulation process. All these proposals are however executed at the level of the wafer so that all the chips formed on a wafer will subsequently have the same internal pressure so that it is not advantageous to manufacture in this manner rotational speed sensors and acceleration sensors, simultaneously on the same plate. DESCRIPTION AND ADVANTAGES OF THE INVENTION The present invention relates to a microtechnical system comprising a substrate and an encapsulation: the substrate and the encapsulation forming at least a first chamber and a second chamber, different pressures prevail in the first chamber and in the second chamber; second room.

2 En particulier le système microtechnique selon l'invention peut être un système mécanique, par exemple une plaquette avec de multiples pressions intérieures. Le système microtechnique selon l'invention offre l'avantage de pouvoir développer des capteurs différents sous des pressions différentes dans un même système notamment dans une plaquette. Cela permet de développer avantageusement notamment des capteurs de vitesse de rotation et des capteurs d'accélération dans un même système en particulier sur une plaquette. De façon avantageuse cela permet de caractériser les variations de procédé par exemple liées à des pertes au niveau du bord sur une partie du système, par exemple d'un capteur d'accélération et de transférer les valeurs résultantes à des parties du système par exemple un capteur de vitesse de rotation et d'économiser le coût du contrôle. In particular, the microtechnical system according to the invention can be a mechanical system, for example a wafer with multiple internal pressures. The microtechnical system according to the invention offers the advantage of being able to develop different sensors under different pressures in the same system, especially in a wafer. This makes it possible to develop advantageously in particular speed sensors and acceleration sensors in the same system, in particular on a wafer. Advantageously, this makes it possible to characterize the process variations, for example related to losses at the edge on a part of the system, for example an acceleration sensor, and to transfer the resulting values to parts of the system, for example a Rotation speed sensor and save the cost of control.

Dans le cadre de la présente invention le substrat peut être en silicium. L'encapsulage selon la présente invention se réalise sous la forme d'une couche et peut par exemple être en dioxyde de silicium ou en silicium. Selon un mode de réalisation particulièrement préféren- tiel du système microtechnique selon l'invention, au moins l'une des chambres a un élément fonctionnel microtechnique notamment micro-mécanique. De manière préférentielle un élément fonctionnel micro-technique respectif est prévu dans la première et dans la seconde chambre. In the context of the present invention the substrate may be silicon. The encapsulation according to the present invention is in the form of a layer and may for example be silicon dioxide or silicon. According to a particularly preferred embodiment of the microtechnical system according to the invention, at least one of the chambers has a microtechnical functional element, in particular a micro-mechanical element. Preferably a respective micro-technical functional element is provided in the first and second chambers.

Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux du système microtechnique selon l'invention, la première chambre contient un capteur de vitesse de rotation et/ou la seconde chambre contient un capteur d'accélération. Selon une autre caractéristique avantageuse du système microtechnique selon l'invention, la pression dans la première chambre est inférieure à la pression dans la seconde chambre et notamment la pression dans la première chambre se situe dans une plage définie comme suit ? 0,01 mbar - 300 mbars, notamment ? 0,1 mbar - <_ 10 mbars, et/ou la pression dans la seconde chambre se situe dans According to a particularly advantageous embodiment of the microtechnical system according to the invention, the first chamber contains a speed sensor and / or the second chamber contains an acceleration sensor. According to another advantageous characteristic of the microtechnical system according to the invention, the pressure in the first chamber is lower than the pressure in the second chamber and in particular the pressure in the first chamber is in a range defined as follows. 0.01 mbar - 300 mbar, in particular? 0.1 mbar - <10 mbar, and / or the pressure in the second chamber is within

3 une plage définie comme suit > 70 mbars - 900 mbars, et notamment 80 mbars - 500 mbars. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un système microtechnique selon lequel : - on développe un substrat ayant au moins une première cavité et une seconde cavité, la première cavité et la seconde cavité ayant chacune au moins un orifice d'accès, - on ferme le ou les orifices d'accès de la première cavité dans laquelle règne une première pression avec un encapsulage, - on ferme les orifices d'accès de la seconde cavité par un encapsulage sous une seconde pression. Le procédé selon l'invention a l'avantage de permettre la fabrication de système microtechnique avec des pressions différentes dans les chambres. Cela permet de réaliser différents capteurs par exemple des capteurs de vitesse de rotation et des capteurs d'accélération dans un système notamment sur une plaquette ou sur une puce. Dans le cadre d'un autre mode de réalisation particulièrement avantageux du procédé de l'invention, les orifices d'accès de la première et de la seconde cavité se situent du même côté du substrat. En appliquant l'encapsulage sur un côté du substrat on ferme ainsi à la fois les orifices d'accès de la première cavité et de la seconde cavité par cet encapsulage. Suivant une caractéristique particulièrement avanta- geuse du procédé de l'invention, le ou les orifices d'accès de la première cavité sont plus petits que le ou les orifices d'accès de la seconde cavité. En appliquant la couche d'encapsulage on ne pourra fermer le ou les orifices d'accès de la première cavité avant le ou les orifices d'accès de la seconde cavité de sorte qu'en modifiant la pression après avoir fermé le ou les orifices d'accès de la première cavité on pourra établir avantageusement des pressions différentes dans les cavités restantes. Suivant une caractéristique particulièrement avantageuse du procédé de l'invention, dans au moins une chambre on développe un élément fonctionnel microtechnique notamment micromécanique. De manière avantageuse, dans la première et dans la 3 a range defined as> 70 mbar - 900 mbar, and in particular 80 mbar - 500 mbar. The invention also relates to a method for manufacturing a microtechnical system according to which: a substrate having at least a first cavity and a second cavity is developed, the first cavity and the second cavity each having at least one access orifice; - Close or the access ports of the first cavity in which a first pressure reigns with encapsulation, - closing the access ports of the second cavity by encapsulation under a second pressure. The method according to the invention has the advantage of allowing the manufacture of microtechnical system with different pressures in the chambers. This makes it possible to produce different sensors, for example speed sensors and acceleration sensors in a system, in particular on a wafer or on a chip. In the context of another particularly advantageous embodiment of the method of the invention, the access orifices of the first and second cavities are located on the same side of the substrate. By applying the encapsulation on one side of the substrate, both the access ports of the first cavity and the second cavity are closed by this encapsulation. According to a particularly advantageous feature of the method of the invention, the access orifice (s) of the first cavity are smaller than the access hole (s) of the second cavity. By applying the encapsulation layer, it will not be possible to close the access orifice (s) of the first cavity before the access orifice (s) of the second cavity so that by modifying the pressure after having closed the orifice (s) Access of the first cavity can be advantageously established different pressures in the remaining cavities. According to a particularly advantageous characteristic of the process of the invention, in at least one chamber a microtechnical functional element is developed, in particular a micromechanical element. Advantageously, in the first and in the

4 seconde chambre on a au moins un élément fonctionnel microtechnique. En particulier la première chambre peut comporter un capteur de vitesse de rotation et la seconde chambre un capteur d'accélération. Le développement des éléments fonctionnels microtechniques peut se faire en commun avec le développement du substrat. Dans le cadre d'un autre mode de réalisation particulièrement préférentiel du procédé de l'invention, on développe l'encapsulage sous la forme d'une couche et cet encapsulage peut être en dioxyde de silicium ou en silicium. 4 second chamber there is at least one microtechnical functional element. In particular the first chamber may comprise a speed sensor and the second chamber an acceleration sensor. The development of microtechnical functional elements can be done in common with the development of the substrate. In the context of another particularly preferred embodiment of the process of the invention, the encapsulation is developed in the form of a layer and this encapsulation may be silicon dioxide or silicon.

Suivant une autre caractéristique particulièrement avantageuse du procédé de l'invention on réalise l'encapsulage par un pro-cédé de dépôt en phase vapeur, par exemple par le procédé physique PVD (dépôt physique à la vapeur) et/ ou un procédé chimique CVD (dépôt chimique à la vapeur) en particulier un dépôt chimique de gaz sur le substrat. Suivant un développement de ce mode de réalisation, l'encapsulage se fait par un procédé continu de dépôt en phase gazeuse sur le substrat. Dans le cadre d'un développement particulièrement avantageux du procédé, le substrat, les cavités dans le substrat et les élé- ments fonctionnels microtechniques sont développés par un procédé comprenant les étapes suivantes : a) Dépôt d'au moins une couche sacrificielle structurée par exemple d'oxyde de silicium pour développer les cavités dans l'étape de procédé b) et d'au moins un substrat/couche fonctionnelle, structurés par exemple en silicium pour développer ultérieurement les parois du substrat et les éléments fonctionnels microtechniques dans l'étape de procédé b) sur une plaquette, par exemple une plaquette de silicium, et b) Enlèvement de la couche sacrificielle par gravure, par exemple avec de l'acide fluorhydrique. Les structures de la couche sacrificielle et les structures du substrat/couche fonctionnelle peuvent se trouver dans un plan. Les accès pour la gravure servent après avoir effectué la gravure de préférence comme ouvertures d'accès aux cavités. Suivant une autre caractéristique particulièrement avantageuse du procédé de l'invention, on modifie la pression en introduisant ou en évacuant un gaz, par exemple de l'argon. Suivant une autre caractéristique particulièrement avan- 5 tageuse du procédé de l'invention, la première pression est inférieure à la seconde pression. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une section d'un mode de réalisation d'un substrat ayant deux cavités avec chaque fois deux orifices d'accès, les cavités logeant chacune un élément fonctionnel microtechnique, - la figure 2 est une section du mode de réalisation de la figure 1 d'un substrat dont on a fermé par encapsulage les orifices d'accès à une cavité dans laquelle règne une première pression, - la figure 3 est une section du mode de réalisation des figures 1 et 2 d'un substrat, notamment d'un système micromécanique, selon un mode de réalisation de l'invention dont on a fermé par encapsulage les orifices d'accès d'une cavité dans laquelle règne une première pression et les orifices d'accès de l'autre cavité dans laquelle règne une seconde pression. Description d'un mode de réalisation de l'invention Les figures 1 à 3 montrent le procédé selon l'invention. La figure 3 montre aussi un mode de réalisation d'un système microtech- nique selon l'invention. Selon le procédé de l'invention, à la figure 1 on développe un substrat 2 ayant au moins une première cavité 6a et une seconde cavité 6b. La première cavité 6a et la seconde cavité 6b ont chacune au moins un orifice d'accès et comme représenté par exemple aux figures, chacune des cavités a deux orifices d'accès 7a, 7b. Selon la figure 1, en même temps que le substrat 2 on développe des éléments fonctionnels microtechniques 5a, 5b dans la première cavité 6a et dans la seconde cavité 6b du substrat 2. La première cavité 6a peut être équipée par According to another particularly advantageous characteristic of the process of the invention, encapsulation is carried out by means of a vapor deposition process, for example by the physical PVD (physical vapor deposition) method and / or a CVD chemical process ( chemical vapor deposition) in particular a chemical deposition of gas on the substrate. According to a development of this embodiment, the encapsulation is done by a continuous process of gas phase deposition on the substrate. In the context of a particularly advantageous development of the method, the substrate, the cavities in the substrate and the microtechnical functional elements are developed by a method comprising the following steps: a) Deposition of at least one structured sacrificial layer for example silicon oxide for developing the cavities in the process step b) and at least one substrate / functional layer, structured for example in silicon to subsequently develop the substrate walls and the microtechnical functional elements in the step of method b) on a wafer, for example a silicon wafer, and b) Removal of the sacrificial layer by etching, for example with hydrofluoric acid. The structures of the sacrificial layer and the structures of the substrate / functional layer may be in a plane. The etch accesses are used after etching preferably as cavity access openings. According to another particularly advantageous characteristic of the process of the invention, the pressure is modified by introducing or evacuating a gas, for example argon. According to another particularly advantageous characteristic of the process of the invention, the first pressure is lower than the second pressure. Drawings The present invention will be described hereinafter in more detail by way of exemplary embodiments shown in the accompanying drawings, in which: - Figure 1 is a section of an embodiment of a substrate having two cavities each with two access ports, the cavities each housing a microtechnical functional element, - Figure 2 is a section of the embodiment of Figure 1 of a substrate which has been closed by encapsulating the access orifices to a cavity in which a first pressure reigns; - FIG. 3 is a section of the embodiment of FIGS. 1 and 2 of a substrate, in particular of a micromechanical system, according to an embodiment of the invention which has been closed. by encapsulating the access orifices of a cavity in which a first pressure reigns and the access orifices of the other cavity in which a second pressure reigns. DESCRIPTION OF AN EMBODIMENT OF THE INVENTION FIGS. 1 to 3 show the method according to the invention. Figure 3 also shows an embodiment of a microtech system according to the invention. According to the method of the invention, in Figure 1 is developed a substrate 2 having at least a first cavity 6a and a second cavity 6b. The first cavity 6a and the second cavity 6b each have at least one access orifice and as shown for example in the figures, each of the cavities has two access ports 7a, 7b. According to FIG. 1, at the same time as the substrate 2, microtechnical functional elements 5a, 5b are developed in the first cavity 6a and in the second cavity 6b of the substrate 2. The first cavity 6a can be equipped with

6 exemple d'un capteur de vitesse de rotation 5a et la seconde cavité 6b, d'un capteur d'accélération 5b. Les figures 1 à 3 montrent comment établir des pressions différentes dans les cavités en ce que selon un procédé d'encapsulage en couche mince on prévoit des accès de gravure de taille différente ou des orifices d'accès aux cavités 7a, 7b de taille différente pour les différentes zones ; après enlèvement d'une couche sacrificielle par un procédé de gravure qui renferme les orifices d'accès. Dans le cadre du mode de réalisation représenté aux fi- gures 1 à 3, les orifices d'accès 7a de la première cavité 6a sont plus petits que les orifices d'accès 7b de la seconde cavité 6b. De plus selon ce mode de réalisation, les orifices d'accès 7a, 7b de la première cavité 6a et ceux de la seconde cavité 6b se situent du même côté du substrat 2. 6 example of a rotation speed sensor 5a and the second cavity 6b of an acceleration sensor 5b. FIGS. 1 to 3 show how to establish different pressures in the cavities in that, according to a thin-film encapsulation method, different size etch accesses or cavity access orifices 7 a, 7 b of different size are provided for the different areas; after removal of a sacrificial layer by an etching process which encloses the access ports. In the context of the embodiment shown in FIGS. 1 to 3, the access orifices 7a of the first cavity 6a are smaller than the access orifices 7b of the second cavity 6b. Moreover according to this embodiment, the access orifices 7a, 7b of the first cavity 6a and those of the second cavity 6b are on the same side of the substrate 2.

La figure 2 montre l'application d'un encapsulage 3 sous la forme d'une couche sur le côté des orifices d'accès du substrat 2, sous une première pression pl. Cette application peut se faire par exemple par un procédé de dépôt en phase vapeur notamment un pro-cédé continu. La figure 2 montre qu'ainsi les petits orifices d'accès 7a de la première cavité 6a seront fermés pendant qu'il règne une première pression p 1 dans la première chambre 4a. La figure 2 montre qu'à ce moment comme la seconde cavité 6b a des orifices d'accès 7b plus grands, ces orifices restent encore ouverts. En introduisant ou en enlevant un gaz on peut ensuite modifier la première pression p 1 pour établir une seconde pression p2. Dans le cas où la première cavité 6a comporte un capteur de vitesse de rotation 5a et la seconde cavité 6b des capteurs d'accélération 5b, la première pression p 1 sera de préférence inférieure à la seconde pression p2. FIG. 2 shows the application of an encapsulation 3 in the form of a layer on the side of the access orifices of the substrate 2, under a first pressure pl. This application can be done for example by a vapor deposition process including a continuous process. FIG. 2 shows that in this way the small access orifices 7a of the first cavity 6a will be closed during a first pressure p 1 in the first chamber 4a. Figure 2 shows that at this moment as the second cavity 6b has access ports 7b larger, these holes are still open. By introducing or removing a gas can then be modified the first pressure p 1 to establish a second pressure p2. In the case where the first cavity 6a comprises a rotational speed sensor 5a and the second cavity 6b of the acceleration sensors 5b, the first pressure p 1 will preferably be lower than the second pressure p2.

La figure 3 montre qu'en continuant à déposer la couche d'encapsulage 3 on ferme ensuite les orifices d'accès 7b de la seconde cavité 6b formant une seconde chambre 4b dans laquelle règne la seconde pression p2.35 NOMENCLATURE FIG. 3 shows that by continuing to deposit the encapsulation layer 3, the access orifices 7b of the second cavity 6b forming a second chamber 4b in which the second pressure reigns is then closed p2.35 NOMENCLATURE

2 Substrat 6a Première cavité 6b Seconde cavité 7a, 7b Orifices d'accès 5a, 5b Eléments fonctionnels 4a, 4b Chambres10 2 Substrate 6a First cavity 6b Second cavity 7a, 7b Access ports 5a, 5b Functional elements 4a, 4b Rooms10

Claims

CLAIMS 1 °) Microtechnic system (1) comprising a substrate (2) and an encapsulation-capping (3), - the substrate (2) and the encapsulation (3) forming at least a first chamber (4a) and a second chamber (3) ( 4b), - different pressures (p1, p2) prevail in the first chamber (4a) and in the second chamber (4b). 2 °) microtechnical system according to claim 1, characterized in that the first chamber (4a) and the second chamber (4b) each contain at least one microtechnical functional element (5a, 5b), in particular a speed sensor (5a). ) housed in the first chamber (4a) and / or an acceleration sensor (5b) housed in the second chamber (4b). Microtechnic system according to claim 1, characterized in that the pressure (p 1) in the first chamber (4a) is less than the pressure (p 2) in the second chamber (4b) and in particular the pressure (p 1) in the first chamber (4a) is in a range defined by 0.01 mbar - 300 mbar and / or the pressure (p2) in the second chamber (4b) is in a range> 70 mbar - 900 mbar. 4) Method for manufacturing a microtechnical system (1) according to one of claims 1 to 3, according to which - one develops a substrate (2) having at least a first cavity (6a) and a second cavity (6b) , the first cavity (6a) and the second cavity (6b) each having at least one access port (7a, 7b), - the access hole (s) (7a) of the first cavity (6a) is closed in which reigns a first pressure (p 1) with an encapsulation (3), - closing the access ports (7b) of the second cavity (6b) by encapsulation (3) under a second pressure (p2). Method according to claim 4, characterized in that the access openings (7a, 7b) of the first cavity (6a) and the second cavity (6b) are on the same side of the substrate (2) . 6) Method according to claim 4, characterized in that the or access ports (7a) of the first cavity (6a) are smaller than the access port (s) (7b) of the second cavity (6b). ). 7 °) Method according to claim 4, characterized in that the encapsulation (3) is in the form of a layer. Process according to Claim 4, characterized in that the encapsulation (3) is carried out by a gas phase deposition process. Method according to Claim 4, characterized in that the substrate (2), the cavities (6a, 6b) of the substrate (2) and the microtechnical functional elements (5a, 5b) are produced by a method comprising the steps following: a) Deposition of at least one structured sacrificial layer to make cavities (6a, 6b) in process step b) and at least one functional substrate / layer, structured to develop substrate walls and elements microtechnical functionalities (5a, 5b) in process step b) on a wafer, and b) Removal of the sacrificial material by an etching process. Process according to Claim 4, characterized in that the pressure (p1, p2) is changed by introducing or discharging a gas. 10 35