FR2962540A1 - Capteur de pression piezo-resistant - Google Patents

Abstract

Capteur de pression piézo-résistant comprenant un substrat en silicium (1) portant une membrane (8) formée d'une couche de carbure de silicium (7). Le côté de la couche (7) à l'opposé du substrat de silicium (1) porte une couche électro-isolante (3) dont le côté non tourné vers la membrane (8) est muni de piézo-résistance (4) et de chemin conducteur (5) avec des contacts métalliques (9) pour saisir par effet piézo-résistant une déformation de la membrane (8) engendrée par l'effet de la pression. Ces capteurs conviennent pour des mesures faites à des températures élevées telles que les températures supérieures à 500°C.

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un capteur de pression piézo-résistant et à un procédé de fabrication d'un tel capteur de pression.

Etat de la technique On connaît déjà des systèmes électromécaniques (système MEMS) utilisés comme capteurs d'accélération et capteurs de pression. La plupart des capteurs de pression MEMS fonctionnent suivant le même principe primaire selon lequel une différence de pression appliquée sur une membrane mince produit sa déformation. Une exploitation par effet piézo-résistant pour la saisie en technique de mesure de la déformation de la membrane proportionnelle à la différence des pressions s'est avérée comme intéressante. Pour cela on utilise l'effet piézo-résistant, poussé, du silicium pour transformer l'état de tension mécanique de la membrane ou l'état piézo-résistant de la membrane en une grandeur exploitable électriquement. Comme l'effet piézo-électrique dans du silicium à dopage (p) est supérieur à celui dans du silicium à dopage (n), on peut réaliser des piézo-résistances en général sous la forme de zone à dopage (p+) dans une cuvette (n) en procédant à un dopage correspondant. La température de fonctionnement souvent appliquée à un tel capteur se situe dans une plage d'environ 150°C. Pour des températures plus élevées qui vont pratiquement jusqu'à 500°C on utilise des capteurs de pression piézo-résistants fabriqués selon la technique SOI (c'est-à-dire "silicium sur isolant"). Les membranes de capteur de pression micromécanique ont dans ces conditions, une épaisseur caractéristique comprise entre 10 et 100 µm. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un capteur de pression offrant une stabilité suffisante même à des températures élevées et de développer un procédé de fabrication d'un tel capteur de pression.

2 Exposé et avantages de l'invention A cet effet l'invention a pour objet un capteur de pression piézo-résistant comprenant un substrat de silicium muni d'une couche de carbure de silicium en forme de membrane, le côté de la couche de carbure de silicium à l'opposé du substrat de silicium comporte une couche électro-isolante portant sur le côté opposé de celui de la membrane des résistances piézo-électriques et des chemins conducteurs avec les contacts métalliques pour la saisie par effet piézo-résistant d'une déformation de la membrane engendrée par la pression. Ainsi selon l'invention on a un substrat de silicium qui donne au capteur de pression comme corps de base, une stabilité suffisante même aux températures élevées. La membrane est constituée par une couche de carbure de silicium SIC appliquée sur le substrat. Le substrat comporte une cavité permettant à la couche de carbure de silicium formant la membrane de se déformer élastiquement pour réagir à une pression. La couche de carbure de silicium du capteur de pression piézo-résistant selon l'invention a un comportement élastique même pour l'épaisseur utilisée pour la membrane et cela jusqu'au-delà de 1 000°C. On peut ainsi réaliser les capteurs avec du carbure de silicium permettant de travailler à des températures dépassant largement 500°C. Comme selon l'invention le carbure de silicium n'a pas de fonction électrique mais uniquement une fonction mécanique, on évite une plaquette monocristalline coûteuse de carbure de silicium. En effet, les coûts d'une plaquette en un monocristal de carbure de silicium sont à titre d'exemple environ 200 fois supérieurs à ceux du silicium. Le capteur de pression selon l'invention a l'avantage de pouvoir s'utiliser dans de nombreux domaines d'application nécessitant des capteurs de pression en particulier dans les applications automobiles qui travaillent à des températures très élevées. Cela est par exemple le cas pour mesurer la pression dans les cylindres ou la pression dans le système des gaz d'échappement pour respecter les futures normes relatives aux gaz d'échappement. Les températures auxquelles est alors soumis l'élément capteur de pression arrivent à des

3 niveaux de l'ordre de 600°C pour mesurer la pression dans les cylindres et même 1 100°C pour mesurer la pression dans le collecteur des gaz d'échappement. En outre la couche d'isolation électrique sous les résistances piézo-électriques évite totalement les courants de fuite. La couche isolante ne détériore pas la déformabilité de la membrane ou ne le fait que de manière négligeable. La membrane en carbure de silicium a en outre l'avantage que le carbure de silicium présente un effet de vieillissement significativement plus faible que celui du silicium pur. La longévité de la membrane et du capteur seront ainsi fortement augmentées. Le capteur de pression piézo-résistant selon l'invention permet de fabriquer des capteurs de pression en technique micro-électromécanique pour des applications à des températures très largement supérieures à 500°C et cela de façon économique. Selon une caractéristique préférentielle, la couche de carbure de silicium a une épaisseur de l'ordre de 1 µm - 20 µm. A cette épaisseur, la couche de carbure de silicium a une stabilité suffisante même aux températures élevées pour ne pas se déformer non- intentionnellement ou être influencée de manière négative d'une autre manière. De plus on a une déformation élastique dans toute la plage des températures notamment à la température ambiante et cela jusqu'à 1 000°C ; la membrane est ainsi suffisamment sensible. De façon préférentielle le capteur de pression selon l'invention peut s'utiliser dans une plage de pression comprise entre 1 bar et 5 000 bars. Suivant un autre développement avantageux, la couche de carbure de silicium est une couche de carbure de silicium polycristallin (poly-SIC). Une telle couche se réalise d'une manière très économique par exemple suivant le procédé CVD, c'est-à-dire un procédé de dépôt chimique à la vapeur. Suivant une autre caractéristique préférentielle, les résistances piézo-électriques et les chemins conducteurs sont réalisés en silicium à dopage (p+). On a ainsi un effet piézo-résistant particulièrement élevé pour les résistances. L'effet piézo-résistant dans du silicium à dopage p est par exemple supérieur à celui du silicium à

4 dopage (n). Le dopage (p+) dans le cadre de la présente invention signifie que l'on introduit des atomes étrangers ou des points de perturbation dans le réseau du silicium suivant une quantité comprise entre 0,1 ppb et 100 ppm. Ces atomes étrangers modifient de manière intentionnelle les caractéristiques de la matière de départ. Le silicium à dopage (p+) s'obtient en introduisant des éléments de valence 3, c'est-à-dire les receveurs dans le réseau du silicium ; il remplace les atomes de silicium de valence 4. On réalise ainsi un trou positif ou manque d'électron. Selon l'invention de manière avantageuse la couche électro-isolante est en dioxyde de silicium SIO2. Le dioxyde de silicium est un isolant approprié pour les températures élevées et permet de réduire efficacement ou d'éviter les courants de fuite dans toute la plage de températures voulue. La présente invention a également pour objet un procédé 15 de fabrication d'un capteur de pression piézo-résistant, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - utiliser un substrat de silicium séparé d'un film de silicium par une couche électro-isolante, - mettre en structure le film de silicium pour réaliser des résistances 20 piézo-électriques et les chemins conducteurs, - enlever en partie le substrat de silicium jusqu'à la couche électroisolante pour former la géométrie d'une membrane, - déposer une couche de carbure de silicium sur la géométrie de la membrane, et 25 - installer des contacts métalliques sur les chemins conducteurs. Le procédé selon l'invention permet une fabrication particulièrement simple de capteurs de pression piézo-résistants ce qui permet d'obtenir avec les capteurs ainsi réalisés, les avantages déjà décrits ci-dessus. 30 D'une manière particulièrement avantageuse la mise en structure du film de silicium se fait par gravure avec des ions réactifs (procédé RIE). Dans le procédé de gravure par des ions réactifs, on allume entre deux électrodes, par haute fréquence dans du vide, un plasma dans du gaz de gravure. Le silicium exposé au plasma est gravé 35 par le tir ionique. En outre il y a une réaction chimique entre le silicium et le gaz de gravure. Ces deux composants de gravure s'utilisent de manière ciblée pour commander une opération de gravure. Suivant un autre développement du procédé de l'invention, on enlève le substrat de silicium par une gravure à la 5 potasse KOH. Par une telle gravure anisotrope on élimine le silicium sous la forme d'un complexe hydroxy du substrat par dissolution, l'opération étant très homogène avec un taux de corrosion élevé. Suivant un autre développement du procédé de l'invention le dépôt de la couche de carbure de silicium se fait par un dépôt selon le procédé PECVD. Un tel dépôt chimique en phase gazeuse assisté par du plasma (plasma enhanced chemical vapour deposition, procédé PECVD) est un procédé qui s'utilise notamment pour déposer le carbure de silicium suivant une couche ayant une très grande précision et une épaisseur homogène.

En outre d'une manière avantageuse on réalise les contacts métalliques par pulvérisation par exemple avec un masque d'ombrage ou masque projetant une ombre. On dépose ainsi un film métallique sur les chemins conducteurs en commandant la géométrie des contacts métalliques par le masque de projection d'ombre. Ce procédé permet de déposer le métal d'une manière particulièrement homogène sur le silicium. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation d'un capteur de pression et de son procédé de fabrication représenté dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre le produit de départ utilisé pour la fabrication d'un capteur de pression selon l'invention, - la figure 2 montre une étape intermédiaire de la fabrication avec 30 une couche de silicium structuré, - la figure 3 montre une seconde étape intermédiaire avec une géométrie de membrane définie, - la figure 4 montre une autre étape intermédiaire avec le dépôt de la couche de carbure de silicium,

6 - la figure 5 montre le capteur de pression piézo-résistant à l'état terminé selon l'invention. Description de modes de réalisation de l'invention Les figures montrent un procédé de fabrication préférentiel de l'invention pour réaliser un capteur de pression piézorésistant selon l'invention. Le capteur de pression selon l'invention peut convenir pour n'importe quelle application et en particulier il convient pour des mesures de pression très précises à des températures élevées telles que celles que l'on rencontre dans les applications en technique automobile par exemple dans la culasse ou dans la conduite des gaz d'échappement ou encore en métrologie industrielle. Le capteur selon l'invention permet par exemple des mesures de pression relative mais aussi des mesures de pression absolue. La figure 1 montre le produit de départ utilisé pour la fabrication du capteur de pression piézo-résistant selon l'invention. Comme produit de départ pour la fabrication du capteur de pression selon l'invention on utilise un support en silicium ou un substrat en silicium 1. Le substrat en silicium 1 est un substrat SOI (silicium sur isolant). On obtient ainsi des temps de commutation brefs et en particulier une faible consommation de puissance. Cela est particulièrement avantageux dans le cas présent car les puissances absorbées sont faibles y compris les courants de fuite. Le substrat de silicium 1 peut être du silicium usuel non dopé et avoir une épaisseur de l'ordre de 700 µm. Le substrat de silicium 1 donne au capteur une stabilité suffisante à la fois aux basses températures telles que la température ambiante mais aussi aux températures d'utilisation, possibles, élevées, selon l'invention et qui peuvent aller jusqu'à 1 000°C. A côté du substrat de silicium il est également prévu un film SOI notamment un film de silicium 2. Le film de silicium 2 est de préférence dopé notamment avec un dopage (p+). Cela permet d'obtenir pour le capteur de pression terminé, un effet piézo-résistant particulièrement développé. Le film de silicium 2 peut avoir une épaisseur comprise dans la plage suivante : ? 0,5 à 20 µm. De manière particulièrement préférentielle, le film a une épaisseur

7 comprise dans la plage suivante : ? 1 à 10 µm. Souvent dans le cas des semi-conducteurs dopés tels que par exemple dans le cas du silicium dopé on constate que l'effet piézo-résistant est particulièrement accentué aux températures élevées et c'est pourquoi cette solution est très avantageuse pour des applications à des températures élevées, par exemple supérieures à 500°C. Le degré de dopage du silicium peut être réglé dans des plages étendues au cours du procédé de fabrication ; ce degré de dopage détermine le coefficient de proportionnalité entre l'extension de la membrane et la variation de la résistance du semi-conducteur. Le film de silicium 2 est porté par une couche 3 électroisolante qui isole électriquement le film de silicium 2 du substrat de silicium 1. De manière préférentielle, cette couche électro-isolante 3 est une couche de dioxyde de silicium SIO2 et elle est appelée "oxyde 15 enfoui" (BOX). Et on peut envisager d'autres matériaux isolants tels que du saphir. La couche électro-isolante 3 peut avoir une épaisseur comprise dans la plage suivante : ? 50nm à 2µm De manière particulièrement préférentielle, la couche a une épaisseur comprise dans la plage ? 100 nm à 1 µm. La couche électro-isolante 3 évite 20 pratiquement totalement les courants de fuite. La figure 2 montre la première étape du procédé de fabrication du capteur de pression piézo-résistante selon l'invention. Dans cette étape du procédé on réalise une structure dans le film de silicium 2. Cela signifie que l'on génère des résistances piézo-électriques 25 4 et des chemins conducteurs 5. Ces éléments sont notamment installés pour saisir une future déformation de la membrane sous l'effet de la pression. Les résistances 4 et les chemins conducteurs 5 font partie d'un pont de mesure électrique de résistance. Ces éléments peuvent être combinés par exemple selon le principe du pont de 30 Wheatstone. La mise en structure du film de silicium 2 peut se faire par exemple par une gravure par ions réactifs (procédé RIE Reactif Ion Etching) ou par une gravure par ions réactifs à sec (procédé DRIE ; Deep Reactive Ion Etching). De tels procédés permettent de réaliser des 35 microstructures dans la couche de silicium 2 avec d'excellents rapports

8 d'aspect, c'est-à-dire un excellent rapport entre la profondeur et la largeur permettant d'atteindre des profondeurs appropriées de structure. La figure 3 montre une autre étape intermédiaire du procédé de l'invention. Dans cette étape de procédé, on enlève en partie le substrat de silicium 1. Cette étape de procédé peut se faire d'une manière particulièrement préférentielle par une gravure par la potasse KOH. On applique ainsi une solution aqueuse de soude sur le substrat de silicium 1 qui dissout le silicium sous la forme d'un complexe hydro.

On élimine de cette manière le silicium de la structure de base par lavage. Selon la présente invention, la notion d'élimination partielle du substrat de silicium signifie que l'on élimine complètement le carbure de silicium seulement dans la direction x jusqu'à atteindre la couche d'isolation électrique 3. On réalise de cette manière un dégagement ou une cavité 6 dans le substrat de silicium. Cela permet de réaliser une géométrie qui convient bien pour une membrane. A titre d'exemple pour la géométrie de la membrane on réalise ainsi un dégagement 6 en forme de cuvette renversée ; cette forme de cuvette renversée a un fond de cuvette circulaire. Mais on peut envisager n'importe quelle géométrie avantageuse pour la membrane appliquée au cours de l'étape suivante du procédé. Suivant une autre étape du procédé représentée à la figure 4, on dépose une couche de carbure de silicium 7 sur la géométrie de la membrane présentée à la figure 3. Il s'agit en particulier dans ce cas d'une couche de carbure de silicium polycristallin (encore appelé poly-SIC). Ce dépôt peut se faire par n'importe quel procédé approprié. De manière particulièrement avantageuse on fait un dépôt par le procédé PECVD c'est-à-dire un dépôt chimique en phase vapeur assistée par du plasma. On peut ainsi appliquer sans difficulté une couche de carbure de silicium 7 ayant l'épaisseur souhaitée. La couche de carbure de silicium 7 présente en particulier une épaisseur comprise entre 1 µm et 20 µm. Comme on a réalisé la géométrie souhaitée de la 35 membrane selon la figure 3, la couche de carbure de silicium 7 forme

9 ainsi par exemple une membrane 8 sur le fond de la cuvette 6. La membrane 8 a une stabilité qui reste maintenue jusqu'à des températures très élevées, telles que par exemple jusqu'à 1 000°C voire plus, sans que cette stabilité ne soit détériorée de manière significative.

La pression de mesure maximale autorisée peut être influencée par l'épaisseur de la membrane. On peut par exemple atteindre une pression de mesure maximale de 5 000 bars avec une membrane d'une épaisseur de 20 µm. Dans la dernière étape de procédé représentée à la figure 5 on applique des contacts métalliques 9 notamment par pulvérisation avec un masque à projection d'ombre (masque d'ombrage) sur les chemins conducteurs 5 réalisés selon la figure 2. Les contacts métalliques 9 servent à relier le capteur, électriquement à une source de courant ou à une unité d'exploitation pour effectuer ainsi la mesure de pression piézo-résistante. En conséquence la figure 5 montre le capteur de pression piézo-résistant selon l'invention, dans son état terminé. Le capteur de pression piézo-résistant selon l'invention comprend ainsi un substrat de silicium 1 comme support portant une couche de carbure de silicium 7 en forme de membrane 8. La couche de carbure de silicium 7 constitue ainsi la membrane 8 dont la forme a été choisie selon l'étape de procédé présenté à la figure 4. Au-dessus du substrat 1, c'est-à-dire au-dessus de la membrane 8, sur le côté de la couche de carbure de silicium 7 à l'opposé du substrat 1 on a la couche isolante électrique 3. Cette couche sert notamment à éviter les courants de fuite et à augmenter la précision de la mesure. Au-dessus de la couche électro-isolante 3 c'est-à-dire au-dessus du côté de la couche isolante 3 à l'opposé de celle de la membrane 8, on a les résistances piézo-électriques 4 et les chemins conducteurs 5 avec les contacts métalliques 9 pour la détection par effet piézo-résistant d'une déformation de la membrane 8 engendrée par la pression. En particulier les résistances piézo-électriques 4 sont dans la zone du bord de la membrane 8. Lorsqu'une pression est exercée sur le capteur c'est-à-35 dire la membrane 8, celle-ci se déforme. La déformation est la plus forte

10 naturellement au bord de la membrane 8. La déformation de la membrane 8 exerce des contraintes mécaniques sur les résistances piézo-électriques 4. Ces contraintes ou tensions exercées sur les résistances piézo-électriques 4 modifient leur résistance par effet piézo- résistant. Comme les résistances piézo-électriques 4 sont installées de préférence au bord de la membrane 8, on atteint des tensions mécaniques particulièrement accentuées au niveau de ces résistances 4 de sorte que la variation de la résistance générée par l'effet piézorésistant est particulièrement forte. La sensibilité du capteur est ainsi particulièrement élevée. Les variations de la résistance sont proportionnelles à la pression ; elles sont réversibles et s'exploitent de manière électronique. Le pont de mesure formé par les résistances piézo-électriques 4 et les chemins conducteurs 5 est relié par les contacts de mesure 9 notamment à une tension constante de quelques volts, par exemple 5 volts pour obtenir de bons résultats de mesure.20

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1°) Capteur de pression piézo-résistant comprenant un substrat de silicium (1) muni d'une couche de carbure de silicium (7) en forme de membrane (8), le côté de la couche de carbure de silicium (7) à l'opposé du substrat de silicium (1) comporte une couche électro-isolante (3) portant sur le côté opposé de celui de la membrane (8) des résistances piézo-électriques (4) et des chemins conducteurs (5) avec les contacts métalliques (9) pour la saisie par effet piézo-résistant d'une déformation de la membrane (8) engendrée par la pression. 2°) Capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de carbure de silicium (7) a une épaisseur comprise entre 15 1µm et 20 µm. 3°) Capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de carbure de silicium (7) est en carbure de silicium 20 polycristallin. 4°) Capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que les résistances piézo-électriques (4) et les chemins conducteurs (5) sont 25 en silicium à dopage (p+). 5°) Capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche électro-isolante (3) est en dioxyde de silicium. 30 6°) Procédé de fabrication d'un capteur de pression piézo-résistant, caractérisé en ce qu' il comprend les étapes suivantes : utiliser un substrat de silicium (1) séparé d'un film de silicium (2) 35 par une couche électro-isolante (3), 13 - mettre en structure le film de silicium (2) pour réaliser des résistances piézo-électriques (4) et les chemins conducteurs (5), - enlever en partie le substrat de silicium (1) jusqu'à la couche électro- isolante (3) pour former la géométrie d'une membrane, - déposer une couche de carbure de silicium (7) sur la géométrie de la membrane, et - installer des contacts métalliques (9) sur les chemins conducteurs (5). 7°) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la mise en structure du film de silicium (2) se fait par une gravure par des ions réactifs. 8°) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu' on enlève le substrat de silicium (1) par une gravure à la soude KOH. 9°) Procédé selon la revendication 6, 20 caractérisé en ce que l'on dépose la couche de carbure de silicium (7) par un dépôt de carbure de silicium selon le procédé PECVD. 10°) Procédé selon la revendication 6, 25 caractérisé en ce qu' on forme les contacts métalliques (9) en pulvérisant par exemple avec un masque d'ombrage. 30