FR2989966A1 - Composant micro electro mecanique et son procede de realisation - Google Patents

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Abstract

Composant micro électro mécanique (3) comportant : -un substrat (1) dont la surface supérieure comporte de nombreuses structures micro électro mécaniques (3a)et - un premier plan de métallisation électro conducteur (4b) sur la surface supérieure du substrat (1), - ce premier plan de métallisation électro conducteur (4b) étant formé au moins en partie d'une première substance chimiquement active de sorbeur .

Description

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un composant micro électro mécanique et à son encapsulage ainsi qu'à un procédé de réalisation d'un tel encapsulage avec un composant micro électro mécanique et en particulier pour des capteurs micros électro mécaniques encapsu- lés ayant une pression interne réduite. Etat de la technique Les capteurs miniaturisés tels que les capteurs d'inertiels ou les capteurs à infrarouge s'utilisent dans de nombreuses applica- tions par exemple en robotique, en navigation ou en détection de mou- vement. Les capteurs peuvent être réalisés à partir de structure micro électro mécanique (structure ou composant MEMS). De tels capteurs sont souvent encapsulés et sous l'encapsulage, leur pression interne est réduite et correspond par exemple à un vide haute pression. Pour améliorer cette pression interne réduite ou la maintenir, il est connu d'utiliser des matières chimiquement réactives qui peuvent fixer des molécules libres de gaz par des combinaisons chimiques ou par sorption. Il s'agit des matières appelés sorbeur. En particulier, dans les composants MEMS, on ne peut utiliser de sorbeur non volatile (sorbeur sans évaporation). Les documents US 6,897,551 B2, US 6,252,294 Bi, US 6,499,354 Bi, US 6,958,264 B1 et US 5,180,568 A décrivent par exemples des sorbeurs non volatiles. De nombreux alliages à effet de sorbeur et à stabilité atmosphérique ainsi qu'ayant une température d'activation compatible avec les procédés de liaison des puces sont, par exemple, connus selon les documents DE 30 03 061 Al, DE 30 03 114 C2 ou EP 0 381 631 A2. But de l'invention Il existe un besoin en capteur micro électro mécanique et en procédé de réalisation de tels capteurs dans lesquels le sorbeur peut s'intégrer de manière simple, économique et efficace quant à la fabrica- tion. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un composant micro électro mécanique comportant : - un substrat dont la surface supérieure comporte de nombreuses structures micro électro mécaniques, et - un premier plan de métallisation électro conducteur sur la surface supérieure du substrat, - ce premier plan de métallisation électro conducteur étant formé au moins en partie d'une première substance chimiquement active de sorbeur. Selon un autre développement, l'invention a pour objet un encapsulage micro électro mécanique et une structure d'encapsulage installée sur la surface supérieure du substrat et formant avec celui-ci, une cavité fermée hermétiquement entourant le composant micro électro mécanique. Selon un autre développement, l'invention a pour objet un procédé de réalisation d'un encapsulage micro électro mécanique comprenant les étapes suivantes, consistant à: - développer un ensemble de structure micro électro mécanique sur une surface d'un substrat, - déposer un premier plan de métallisation électro conducteur sur la surface supérieure du substrat dans la région des structures micro électro mécanique, le premier plan de métallisation électro conducteur étant formé au moins en partie de la première substance chimiquement active de sorbeur, et - réaliser l'une des nombreuses structures micros électro mécaniques y compris la cavité fermée hermétiquement par la mise en place de la structure d'encapsulage sur la surface supérieure du substrat. L'invention repose sur l'idée générale d'un plan de métallisation électro fonctionnel d'un capteur micro électro mécanique ou d'une puce de commande pour un capteur micro électro mécanique réalisé au moins en partie en une matière chimiquement réactive ou une matière de sorbeur. Le plan de métallisation remplit ainsi non seule- ment la fonction de sorbeur pour améliorer ou maintenir la pression interne sur un capteur micro électro mécanique mais également pour assurer la fonction d'une structure électrique active pour le capteur et/ou la puce de commande, par exemple, en réalisant des chemins électro conducteurs pour l'alimentation électrique et/ou pour la transmission des signaux de commande et/ou des signaux de mesure. Un avantage considérable de ce procédé réside dans la réalisation de la structure de sorbeur qui ne nécessite pas d'étape de procédé supplémentaire pour la fabrication du capteur micro électro mécanique, c'est-à-dire de l'encapsulage d'un capteur micro électro mécanique. Au lieu de cela, la réalisation de la structure de sorbeur a déjà simultanément avec celle des plans de métallisation dans un développement fonctionnel du capteur micro électro mécanique et/ou de la puce de commande. Cela permet une économie d'étape de procédé ré- duisant ainsi le coût de fabrication. Selon un développement du composant selon l'invention, la première substance de sorbeur est un alliage du groupe ZrjiyFez, Zr'TiyVz, TiaV2,Fex_yNiy et ZrM2 dans lequel M représente un métal transitoire du groupe Cr, Mn, Fe, Co ou Ni. Ces substances offrent un bon effet de sorbeur et ont la stabilité atmosphérique requise ainsi qu'une température d'activation compatible avec un procédé de liaison de puce. Selon un autre développement le composant selon l'invention est un composant micro électro mécanique dont le premier plan de métallisation électro conducteur est le plan de métallisation supérieure du composant micro électro mécanique. On réalise ainsi une fixation optimale à la cavité par le composant micro électro mécanique, ce qui rend maximum l'effet de sorbeur.
Selon un autre développement de l'encapsulage selon l'invention, celui-ci comporte : - une puce de commande qui commande le composant micro électro mécanique, et - un second plan de métallisation électro conducteur installé au moins en partie sur la surface supérieure de la puce de commande, ce second plan de métallisation électro conducteur étant formé au moins en partie avec une seconde substance chimiquement active de sorbeur. Comme la puce de commande est avantageusement en- capsulée, dès la métallisation de la puce de commande, on peut utiliser une substance de sorbeur pour fournir le plan de métallisation, ce qui augmente le nombre de structures chimiquement actives dans la cavité. Selon un autre développement de l'encapsulage micro électro mécanique selon l'invention, caractérisé en ce que la seconde substance de sorbeur est un alliage du groupe Zr'TiyFez, Zr'TiyVz, TiaV2_'Fex_yNiy et ZrM2 dans lequel M est un métal transitoire du groupe Cr, Mn, Fe, Co ou Ni. Ces substances donnent un bon effet de sorbeur et ont la stabilité atmosphérique requise, toutes ayant une température d'activation compatible avec celles des procédés de liaison de la puce.
Selon un autre développement de l'encapsulage selon l'invention, la puce de commande est prévue sur la surface supérieure du substrat à côté du composant micro électro mécanique. Le second plan de métallisation électro conducteur peut ainsi correspondre au premier plan de métallisation électro conducteur ce qui a l'avantage de pouvoir réaliser les plans de métallisation dans la même étape de fabri- cation. Selon un autre développement de l'encapsulage selon l'invention, le premier et le second plans de métallisation électro conducteurs sont réalisés sur la surface supérieure du substrat pour sortir de la cavité fermé hermétiquement ce qui permet de faire sortir des chemins conducteurs hors de la cavité. Selon un autre développement des encapsulages selon l'invention, la puce de commande est prévue sur la surface supérieure de la structure d'encapsulage tournée vers la cavité hermétiquement fermée et on peut ainsi prévoir un élément de contact électro conduc- teur reliant électriquement la puce de commande au composant micro électro mécanique par le premier et le second plans de métallisation électro conducteur. Ce montage économise de l'encombrement et créé un encapsulage compacte.
Selon un autre mode de réalisation du procédé de l'invention, les étapes d'installation d'une puce de commande sur la surface supérieure du substrat à côté des structures micro électro mécaniques ou sur la surface supérieure de la structure d'encapsulage, tournée vers la cavité fermée et le dépôt d'un second plan de métallisa- tion électro conducteur se fait sur la surface supérieure de la puce de commande, le second plan de métallisation électro conducteur étant formé au moins en partie avec une seconde substance chimiquement active de sorbeur. Dessins La présente invention sera décrite, ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un composant micro électro mécanique et de son procédé de réalisation selon l'invention, représenté dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est un schéma en coupe d'un encapsulage de puces mi- cros électro mécaniques correspondant à un mode de réalisation de l'invention, la figure 2 est une vue en coupe d'un second mode de réalisation d'un encapsulage micro électro mécanique selon l'invention, la figure 3 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation, schématique d'un encapsulage micro électro mécanique selon l'invention, la figure 4 montre schématiquement un procédé de réalisation d'un emballage micro électro mécanique selon un autre mode de réalisation de l'invention.
Description et modes de réalisation de l'invention Les composants micros électro mécaniques représentés (composants MEMS) peuvent s'utiliser comme des capteurs micro électro mécaniques (capteurs MEMS) tels que par exemple des capteurs inertials, des capteurs d'accélération, des capteurs infrarouge, des cap- teurs de température ou des composants de ce type. Les métallisations et les plans de métallisation, selon la présente invention, sont des structures fonctionnelles plaquées en métal ou en alliage de métaux, électro conducteur permettant d'appliquer une alimentation en courant ou/en tension au composant relié et no- tamment de transmettre des signaux électriques. Les plans de métalli- sation comprennent ainsi des chemins électro conducteurs, des structures électro conductrices ou éléments métalliques analogues. La figure 1 montre schématiquement une vue en coupe d'un encapsulage micro électro mécanique 100. L'encapsulage 100 comporte un subsrat 1, une puce de commande 2, un composant micro électro mécanique (composant MEMS) 3 ainsi qu'une structure de couverture 7. Le substrat 1 comporte, par exemple, un substrat semiconducteur. Le substrat 1 peut être une puce silicium sur isolant (encore appelée puce SOI). Le substrat 1 peut comporter des cavités qui, avec les éléments de structure correspondant aux cavités, représentent un grand nombre de structures micros électro mécaniques (structure MEMS) 3a. Par exemple, les structures MEMS 3a peuvent être des structures de membranes, des structures de ressort, des prolongements semi conducteurs déployables ou des moyens analogues. Les structures MEMS 3a forment ensemble le composant MEMS 3. Le composant MEMS 3 peut servir par exemple de capteur inertiel ou de capteur infrarouge IR. La puce de commande 2 peut être un composant FPGA, un composant ASIC ou tout autre porte logique ou circuit logique per- mettant de commander le composant MEMS 3 ou de recevoir et traiter des signaux de mesure fournis par celui-ci. A la figure 1, la puce de commande 2 est installée à titre d'exemple à côté, c'est-à-dire au voisinage du composant MEMS 3 sur la surface supérieure du substrat 1. Ainsi, la surface supérieure active de la puce de commande 2 se trouve dans un plan avec la surface supérieure active du composant MEMS 3. Un premier plan de métallisation électro conducteur 4b est réalisé au dessus du composant MEMS 3 sur la surface supérieure du substrat 1. Le premier plan de métallisation électro conducteur 4b comporte, par exemple, des structures de chemin conducteur et est formé au moins en partie d'une première substance chimiquement ac- tive de sorbeur. Ce premier plan de métallisation électro conducteur 4b est, par exemple, le plan de métallisation le plus haut du composant micro électro mécanique 3. En variante ou en plus, on peut également former des plans de métallisation situés plus bas, au moins en partie avec la première substance chimiquement active de sorbeur. La pre- mière substance de sorbeur est par exemple un alliage choisi dans le groupe Zr'TiyFez, Zr'TiyVz, TiaV2_'Fex_yNiy et ZrM2 dans lequel est un métal de transition du groupe Cr, Mn, Fe, Co ou Ni et x, y, z et a sont des variables quantitatives des différents éléments des alliages métalliques.
La structure de capsule 5 est installée sur la surface supérieure du substrat 1. La structure de capsule 5 comporte, par exemple, un substrat semi conducteur dont le côté inférieur comporte une cavité correspondante. La structure de capsule 5 peut réaliser avec le substrat 1, une cavité 7 qui ferme hermétiquement le composant mi- cro électro mécanique 3. On peut réaliser le vide dans la cavité 7 au moment de la fabrication de la capsule de puce 100. La substance de sorbeur qui forme le premier plan métallisé électro conducteur 4b permet d'améliorer la pression interne réduite ou le vide dans la cavité 7 ou encore maintenir ce vide sur une durée prolongée. La structure de cap- sule 7 peut être appliquée par exemple par un moyen de liaison 6 tel qu'une colle fluidique ou une liaison soudée sur le substrat. Au moins un second plan de métallisation électro con- ducteur 4a peut être réalisé en partie sur la surface de la puce de com- mande 2. Ce second plan de métallisation électro conducteur 4a peut être formé au moins en partie d'une seconde substance chimiquement active de sorbeur. La seconde substance chimiquement active de sorbeur est, par exemple, un alliage du groupe ZrjiyFez, Zr'TiyVz, TiaV2_'Fex_yNiy et ZrM2 dans lequel M est un métal transitoire du groupe Cr, Mn, Fe, Co ou Ni et x, y, z et a sont des variables quantitatives pour les éléments respectifs des alliages métalliques. Le second plan de métallisation électro conducteur 4a peut correspondre au premier plan de métallisation électro conducteur 4b de sorte que les deux plans de métallisation 4a, 4b pourront être réalisés en commun dans une étape de fabrication. De plus, dans ces plans de métallisation 4a, 4b, on réalise des liaisons électriques entre la puce de commande 2 et le composant MEMS 3. La figure 2 est un schéma d'un encapsulage micro électro mécanique 200 qui se distingue de l'encapslage 100. La figure 1, essen- tiellement en ce que le premier plan et le second plan de métallisation électro conducteur 4a, 4b à la surface du substrat 1, sort de la cavité 7 fermée de manière hermétique. Pour cela, la structure de capsule 5 est appliquée par les moyens de liaison 6 sur le premier et le second plan de métallisation électro conducteur 4a, 4b.
La figure 3 est un schéma d'un encapsulage micro électro mécanique 300. L'encapsulage 300 se distingue de l'encapsulage 100 de la figure 1 essentiellement en ce que la puce de commande 2 est prévue sur la surface supérieure de la structure d'encapsulage 5 tournée vers la cavité 7 fermée de manière hermétique. En variante, le composant MEMS 3 peut se trouver sur la surface supérieure de la structure d'encapsulage 5 tournée vers la cavité 7 fermée hermétiquement alors que la puce de commande 2 est réalisée dans le substrat 1. Cela permet de diminuer la surface nécessaire de la surface supérieure du substrat 1, ce qui permet d'optimiser de façon correspondante l'encombrement de l'encapsulage 300. La structure d'en capsulage 5 est ainsi reliée avec le substrat 1 par des éléments de contact électro conducteur 8 reliant électriquement la puce de commande 2 au composant micro électro mécanique 3. Les éléments contact électro conducteur 8 peuvent ainsi être reliés électriquement au premier et au second plan de métallisation électro conducteur 4a, 4b. La figure 4 est un schéma d'un procédé 10 de réalisation de composant micro électro mécanique et d'encapsulage avec des composants micros électro mécaniques. Le procédé 10 est, par exemple, uti- lisé pour réaliser l'encapsulage micro électro mécanique 100, 200 et/ou 300 comme ceux présentés aux figures 1 à 3. Tout d'abord, dans l'étape 11, on réalise dans un subs- trat 1 par exemple, dans une puce SOI des cavités et des composants correspondants activités mécaniques ou thermiques qui représentent de nombreuses structures micro électro mécaniques 3a sur la surface su- périeure du substrat 1. Dans l'étape 12, on dépose un premier plan de métallisation électro conducteur 4b sur la surface supérieure du substrat 1 dans la région des structures micros électro mécaniques 3a. Le premier plan de métallisation électro conducteur 4b est formé au moins en partie d'une première substance activité chi- mique de sorbeur. Ce premier plan de métallisation électro conducteur 4b peut être par exemple structuré par gravure, par faisceau ionique. Dans l'étape 13, on réalise une cavité 7 qui ferme hermétiquement l'ensemble des structures micros électro mécaniques 3a. Cela peut se faire par exemple en installant une structure d'encapsulage 5 sur la surface supérieure du substrat 1. En option, dans l'étape 14, on peut installer une puce de commande 2 sur la surface supérieure du substrat 1 à côté des struc- tures micro électro mécaniques 3a ou sur une surface supérieure de la structure d'encapsulage 5 tournée vers la cavité 7 fermée hermétiquement. Puis, dans l'étape 15, on réalise un second plan de métallisation électro conducteur 4a sur la surface de la puce de commande 2. Le second plan de métallisation électro conducteur 4a sera formé au moins en partie d'une seconde substance chimiquement active de sorbeur. La première et la seconde substances chimiquement actives de sorber peuvent par exemple comporter un alliage du groupe ZrjiyFez, Zr'TiyVz, TiaV2_'Fex_yNiy et ZrM2 dans lequel M présent un métal transitoire du groupe Cr, Mn, Fe, Co ou Ni et x, y, z et a représentent une fraction quantitative variable des éléments respectifs dans les alliages métal- liques.20 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 1 Substrat 2 Puce de commande 3 Composant micro électro mécanique 3a Structure micro électro mécanique 4a Second plan de métallisation électro conducteur 4b Premier plan de métallisation électro conducteur 7 Cavité 7 Structure d'encapsulage 8 Elément de contact électro conducteur 10 Procédé 11-15 Etape du procédé 10 100 Encapsulage 200 Encapsulage 300 Capsulage20

Claims (1)

  1. REVENDICATIONS1°) Composant micro électro mécanique (3) comportant : - un substrat (1) dont la surface supérieure comporte de nombreuses structures micro électro mécaniques (3a), et - un premier plan de métallisation électro conducteur (4b) sur la surface supérieure du substrat (1), - ce premier plan de métallisation électro conducteur (4b) étant formé au moins en partie d'une première substance chimiquement active de sorbeur. 2°) Composant micro électro mécanique (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première substance de sorbeur est un alliage du groupe Zr'TiyFez, Zr'TiyVz, TiaV2_'Fex_yNiy et ZrM2 dans lequel M représente un métal transitoire du groupe Cr, Mn, Fe, Co ou Ni. 3°) Composant micro électro mécanique (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier plan de métallisation électro conducteur (4b) est le plan de métallisation supérieure du composant micro électro mécanique (3). 4°) Encapsulage micro électro mécanique (100, 200, 300) comportant : - un composant micro électro mécanique (3) selon l'une des revendications 1 à 3, et - une structure d'encapsulage (5) installée sur la surface supérieure du substrat (1) et qui forme une cavité (7) hermétiquement fermée avec le substrat (1) entourant le composant micro électro mécanique (3). 5°) Encapsulage micro électro mécanique (100, 200,300) selon la reven- dication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre - une puce de commande (2) qui commande le composant micro électro mécanique (3), et - un second plan de métallisation électro conducteur (4a) installé au moins en partie sur la surface supérieure de la puce de commande (2),ce second de métallisation électro conducteur (4a) étant formé au moins en partie avec une seconde substance chimiquement active de sorbeur. 6°) Encapsulage micro électro mécanique (100, 200,300) selon la reven- dication 5, caractérisé en ce que la seconde substance de sorbeur est un alliage du groupe ZrjiyFez, Zr'TiyVz, TiaV2,Fex_yNiy et ZrM2 dans lequel M est un métal transitoire du groupe Cr, Mn, Fe, Co ou Ni. 7°) Encapsulage micro électro mécanique (100, 200) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la puce de commande (2) et réalisée sur la surface supérieure du subs- trat (1) à côté du composant micro électro mécanique (3). 8°) Encapsulage micro électro mécanique (100, 200) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le second plan de métallisation électro conducteur (4a) correspond au premier plan de métallisation électro conducteur (4b). 9°) Encapsulage micro électro mécanique (100, 200) selon la revendica- tion 7, caractérisé en ce que le premier et le second plan de métallisation électro conducteur (4a, 4b) sur la surface supérieure du substrat (1) sort de la cavité (7) hermétiquement fermée. 10°) Encapsulage micro électro mécanique (300) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la puce de commande (2) est prévue sur le côté supérieur de la struc- ture d'encapsulage (5) tournée vers la cavité (7) fermée hermétiquement.11°) Encapsulage micro électro mécanique (300) selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un élément de contact électro conducteur (8) qui relie la puce de commande (2) électriquement au composant micro électro mécanique (3) par le premier et le second plan de métallisation électro conducteur (4a, 4b). 12°) Procédé (10) de réalisation d'un encapsulage micro électro méca- nique (100, 200, 300), comprenant les étapes suivantes, consistant à: - développer (11) un ensemble de structure micro électro mécanique (3a) sur une surface d'un substrat (1), - déposer (12) un premier plan de métallisation électro conducteur (4b) sur la surface supérieure du substrat (1) dans la région des structures micro électro mécanique (3a), le premier plan de métallisation électro conducteur (4b) étant formé au moins en partie de la première substance chimiquement active de sorbeur, et - réaliser (13) l'une des nombreuses structures micros électro méca- niques (3a) y compris la cavité (7) fermée hermétiquement par la mise en place de la structure d'encapsulage (5) sur la surface supérieure du substrat (1). 13°) Procédé (10) selon la revendication (12), caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes suivantes, consis- tant à: - disposer (14) une puce de commande (2) sur la surface supérieure du substrat (1) à côté des structures micro électro mécaniques (3a) ou sur la surface supérieure de la structure d'encapsulage (5) tournée vers cavité (7) fermée hermétiquement, et - déposer (15) un second plan de métallisation électro conducteur (4a) sur la surface de la puce de commande (2), - le second plan de métallisation électro conducteur (4a) étant formé au moins en partie avec la seconde substance chimiquement active de sorbeur.14°) Procédé (10) selon la revendication 13, caractérisé en ce que la première et la seconde substance de sorbeur sont, en partie, un alliage du groupe Zr x TiyFez, Zr'TiyVz, TiaV2_'Fex_yNiy et ZrM2 dans lequel M est un métal transitoire du groupe Cr, Mn, Fe, Co ou Ni.10
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