FR3096829A1 - Méthode de fabrication d’un émetteur électroacoustique miniaturise - Google Patents
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Abstract
Méthode de fabrication d’un émetteur électroacoustique miniaturisé apte à fonctionner à des hautes tensions supérieures à 500 V et de rayonner à de fortes pressions acoustiques à 1m comprises entre 80 dB et 150 dB à une fréquence ultrasonore d’activation de bas niveau comprise entre 20 kHz et 110 kHz, comprenant les étapes suivantes : étape 1 : sur au moins un wafer support (1), utilisé comme wafer substrat, est déposée une couche métallique (10) en matériau conducteur, laquelle est structurée sur la surface S dudit wafer support (1) selon une électrode inférieure (11) et un pad d’alimentation électrique (12) et une piste électrique (13) ; étape 2 : dépôt en au moins deux étapes intermédiaires (étape 2-1 et étape 2-2) d’au moins deux couches (21, 22) de résines, de propriétés physiques et chimiques similaires ou sensiblement différentes. Lesdites deux couches (21, 22) forment un ensemble de couches (20) structuré selon une forme géométrique définissant une cavité C de profondeur L ; étape 3 : sur au moins un wafer de silicium (30) est déposée ou collée au moins une couche (31), laquelle a des propriétés physiques et chimiques similaires ou sensiblement différentes des autres couches (21, 22) de résine. L’ensemble constitué par ledit wafer de silicium (30) et ladite couche (31) est ensuite déposé ou collé sous vide sur l’ensemble de couches (20) de manière à fermer complètement la cavité C. Ledit wafer de silicium (30) et éventuellement ladite couche (31) déposés forment une membrane vibrante, laquelle comprend une partie mobile MV capable de vibrer sous l’action d’un champ électrique et une partie fixe servant d’appui pour la partie mobile. Figure de l’abrégé : Figure 1
Description
La présente invention concerne une méthode de fabrication d’un émetteur électroacoustique capacitif ultrasonore miniaturisé apte à fonctionner à des hautes tensions supérieures à 500 V et à rayonner à des fortes pressions acoustiques à 1m comprises entre 80 dB et 150 dB à une fréquence d’activation de bas niveau comprise entre 20 kHz et 110 kHz.
Elle concerne particulièrement un transducteur électroacoustique capacitif ultrasonore miniaturisé pour des applications de type émetteur de forte puissance, notamment à des basses fréquences ultrasonores (de l’ordre de quelques dizaines de kHz).
Elle est relative à un transducteur électroacoustique capacitif ultrasonore miniaturisé à amplitudes vibratoires importantes de une à quelques dizaines de microns zéro-crête et fonctionnant à des hautes tensions alternatives ou continues supérieures à 500 V.
L’invention se situe dans le domaine des émetteurs et récepteurs d’onde acoustique ultrasonore. Elle trouve son application dans la détermination des paramètres physiques d’un mobile au repos et/ou en mouvement dans un environnement complexe où les perturbations mécaniques, thermiques, électriques, électromagnétiques et vibratoires sont importantes. Par exemple dans l’aéronautique, elle permet de déterminer la vitesse d’un aéronef à partir du temps de vol de l’onde acoustique ultrasonore entre un émetteur et un récepteur ou une multiplicité d’émetteurs et/ou de récepteurs.
Les transducteurs électroacoustiques capacitifs ultrasonores miniaturisés sont des transducteurs ultrasonores de taille millimétrique, notamment submillimétrique, basés sur l’effet électrostatique, opérant dans un milieu de propagation d’onde de type acoustique et fabriqués usuellement à partir de silicium en utilisant les techniques de micro-usinage de surface ou de wafer bonding ou d’autres techniques connues de l’état de la technique.
La structure basique d’un transducteur électroacoustique capacitif ultrasonore miniaturisé est celle d’une capacité plane à armature parallèle dont l’une des électrodes est fixe et l’autre mobile suivant au moins un axe, ladite électrode mobile comprenant une membrane vibrante capable de vibrer suivant ledit axe. Celles-ci sont séparées par une cavité dont les bords sont formés par une couche isolante caractérisant la nature du transducteur en termes de performances.
Le principe de fonctionnement de ces transducteurs repose sur la mise en vibration par activation électrostatique de la membrane vibrante. L’architecture générique consiste en une membrane vibrante circulaire ou carrée ou hexagonale ou d’une autre forme géométrique vibrant au-dessus de la cavité sensiblement de même forme géométrique. La cavité est comprise entre une électrode dite inférieure et la membrane vibrante. La membrane peut être réalisée en matériau conducteur et devient l’électrode dite supérieure. Dans d’autres cas, une couche métallique constituant l’électrode supérieure est déposée sur la membrane vibrante. La profondeur de la cavité définit le gap électrostatique car le gap mécanique est sensiblement égal au gap électrostatique, et le champ de déplacement vibratoire maximal de la membrane vibrante. Une différence de potentiel alternative, sur laquelle est éventuellement superposée une tension continue, est appliquée entre l’électrode inférieure et l’électrode supérieure de manière à créer un champ électrostatique alternatif et par conséquent une pression électrostatique alternative conduisant à un déplacement vibratoire de la membrane vibrante.
Le déplacement vibratoire de la membrane vibrante permet alors de générer une onde acoustique dans le milieu environnant. Réciproquement, une onde acoustique incidente parvenant sur la membrane provoque une vibration de celle-ci, soit une variation de capacité électrostatique et par conséquent un courant électrique mesurable dépendant de la puissance acoustique de l’onde incidente.
Ces transducteurs électroacoustiques capacitifs ultrasonores peuvent donc être utilisés comme émetteur d’onde acoustique pour déterminer les paramètres physiques comme la vitesse, l’angle d’incidence, l’angle de tangage, la température etc. d’un mobile au repos et/ou en mouvement dans un environnement complexe comme décrit dans les demandes de brevets suivantes : FR 3027398 et FR 2974908.
Pour la détermination des paramètres physiques d’un mobile dans un environnement complexe objet de notre application, les transducteurs électroacoustiques capacitifs ultrasonores doivent être miniaturisés, montés sur la structure de l’aéronef et fonctionner dans la gamme des ultrasons spécifiques et être principalement caractérisés par des hautes performances requises à savoir :
- une pression acoustique rayonnée supérieure à 80 dB,
- et une fréquence ultrasonore de bas niveaux comprise entre 20 kHz et 110 kHz,
- et une amplitude vibratoire supérieure à 10 µm.
- une pression acoustique rayonnée supérieure à 80 dB,
- et une fréquence ultrasonore de bas niveaux comprise entre 20 kHz et 110 kHz,
- et une amplitude vibratoire supérieure à 10 µm.
Malheureusement, l’obtention simultanée et conjuguée des hautes performances implique la mise en œuvre de hautes tensions électriques conduisant à des décharges partielles et à des courants de fuite importants. De plus, les niveaux d’amplitudes vibratoires requis de l’ordre de 1 à quelques dizaines de microns, notamment supérieures à 10 µm, conduisent à des gaps électrostatiques du même ordre et légèrement supérieurs, notamment entre 20 µm et 50 µm, lesquels impliquent de mettre en jeu des hautes tensions notamment de quelques milliers de volts (1000 V à 4000 V). De ce fait, il est nécessaire d’améliorer les méthodes de fabrication actuelles pour permettre de fabriquer des transducteurs ayant simultanément les caractéristiques spécifiques de hautes performances.
À ce jour, les méthodes de fabrication des transducteurs électroacoustiques capacitifs ultrasonores les plus connues sont le micro-usinage de surface et le wafer bonding notamment anodic bonding.
La méthode de micro-usinage repose sur le dépôt et l’empilement de couches généralement d’épaisseurs submillimétriques ou submicrométriques. Les épaisseurs des couches potentiellement mises en jeu conduisent à des gaps électrostatiques de valeurs similaires ; d’où son incompatibilité pour une fabrication des transducteurs ayant des caractéristiques de hautes performances.
La méthode de wafer bonding et notamment l’anodic bonding, consiste en l’assemblage d’un wafer de verre et d’un wafer de silicium. Les cavités gravées dans le wafer de verre déterminent les gaps électrostatiques. Ainsi, des gaps de quelques dizaines de microns peuvent être envisagés.
Cependant, l’anodic bonding est basé sur l’application de tensions élevées provoquant la migration d’ions positifs hors de la zone de contact verre/silicium, les ions négatifs surnuméraires réagissant avec les ions silicium pour former une liaison irréversible. Malheureusement, le wafer de verre mis en œuvre dans la méthode d’anodic bonding présente, par nécessité de la technologie, une forte densité d’ions s’avérant très problématique dans une application haute tension (génération de courant de fuite/décharge partielle). De plus, sa faible résistivité électrique peut induire un courant électrique à haut niveau de tension, source de consommation excessive.
De l’état de la technique, est connue une méthode de fabrication d’un transducteur électroacoustique capacitif ultrasonore reposant sur la réalisation d’une cavité dans une couche de résine dite structurelle, ladite méthode comprenant les étapes suivantes :
- sur un wafer de verre de type amorphe, utilisé comme wafer substrat, une couche métallique est déposée sur ce wafer de verre et structurée selon une électrode inférieure, un pad d’alimentation électrique et une piste électrique reliant l’électrode inférieure et le pad d’alimentation,
- une couche de résine est déposée sur le wafer de verre et structurée au niveau de l’électrode inférieure selon la forme géométrique envisagée de manière à réaliser la cavité matérialisant le gap électrostatique,
- un wafer de silicium constituant la membrane vibrante est collé sous vide sur la couche de résine.
- sur un wafer de verre de type amorphe, utilisé comme wafer substrat, une couche métallique est déposée sur ce wafer de verre et structurée selon une électrode inférieure, un pad d’alimentation électrique et une piste électrique reliant l’électrode inférieure et le pad d’alimentation,
- une couche de résine est déposée sur le wafer de verre et structurée au niveau de l’électrode inférieure selon la forme géométrique envisagée de manière à réaliser la cavité matérialisant le gap électrostatique,
- un wafer de silicium constituant la membrane vibrante est collé sous vide sur la couche de résine.
Malheureusement, cette méthode de fabrication n’est pas adaptée à la fabrication des transducteurs électroacoustiques capacitifs ultrasonores ayant simultanément et conjuguant les caractéristiques de hautes performances. En effet, le transducteur résultant de cette méthode de fabrication présente des problèmes :
- d’adhérence de la couche de résine sur le matériau constitutif du wafer substrat, en l’occurrence le verre amorphe ;
- de collage sous vide du wafer de silicium et du wafer substrat ;
- d’apparition de décharges électriques partielles entre le wafer de silicium constitutif de la membrane vibrante et la piste électrique reliant l’électrode inférieure au pad d’alimentation ;
- d’apparition de décharges électriques partielles entre le wafer de silicium et l’électrode inférieure au niveau de la cavité sous vide. Aussi, la qualité du vide obtenue lors du collage sous vide des wafers silicium et substrat peut conduire à des arcs électriques pour les hautes tensions.
- d’adhérence de la couche de résine sur le matériau constitutif du wafer substrat, en l’occurrence le verre amorphe ;
- de collage sous vide du wafer de silicium et du wafer substrat ;
- d’apparition de décharges électriques partielles entre le wafer de silicium constitutif de la membrane vibrante et la piste électrique reliant l’électrode inférieure au pad d’alimentation ;
- d’apparition de décharges électriques partielles entre le wafer de silicium et l’électrode inférieure au niveau de la cavité sous vide. Aussi, la qualité du vide obtenue lors du collage sous vide des wafers silicium et substrat peut conduire à des arcs électriques pour les hautes tensions.
La présente invention vise donc à remédier à ces inconvénients en fournissant une méthode de fabrication des transducteurs électroacoustiques capacitifs (émetteurs) miniaturisés ayant des caractéristiques de hautes performances et fonctionnant à haute tension supérieure à 500 V sans induire de décharges partielles et en minimisant les courants de fuite.
Dans ce qui suit, les termes suivants auront la définition suivante :
- Ultrason/ultrasonore : dans le cas présent de mesures des paramètres physiques (vitesse, angle de tangage, angle d’incidence, température, etc.) d’un mobile en mouvement ou au repos, désigne une onde mécanique qui se propage au travers de milieux de type fluides ou solides et dont la fréquence est comprise entre 20 kHz et 1GHz ;
- Transducteur électroacoustique : désigne la propriété d’un objet qui sous l’effet d’un champ électrique répond de façon mécanique par l’émission d’une onde acoustique ;
- Miniaturisé : désigne les objets de petites dimensions dont la taille (longueur, largeur, profondeur, rayon, épaisseur, etc.) est inférieure à 3 cm ;
- Haute tension : désigne les valeurs de la tension électrique supérieure à 500 V en courant alternatif ou en courant continu ;
- Pression acoustique : décrit la variation de la pression en présence d’une onde acoustique ;
- Bas niveau : désigne la gamme de fréquences ultrasonores située vers la limite basse de l’intervalle de définition des fréquences ultrasonores, dans le cas présent, typiquement comprise entre 20 kHz et 110 kHz ;
- Dépôt : désigne le procédé consistant notamment à déposer une couche de matériau sur une surface quelconque. Par exemple, dans le cas du dépôt d’une résine, cela désigne les étapes d’enduction (application de résine sur un wafer), de rotation du wafer (détermination de l’épaisseur de la couche de résine), et de cuisson (évaporation des solvants et pré-durcissement de la résine) ;
- Structuration : désigne notamment dans le cas d’une résine photosensible les étapes d’insolation (exposition aux ultraviolets de zones spécifiques définies par et à travers un masque dit de photolithographie comprenant des motifs), de recuit (nouvelle cuisson conduisant au changement de solubilité des zones exposées et garantissant la polymérisation de la résine) et de développement (report des motifs du dit masque dans la couche de résine) ;
- Rotation d’un wafer : désigne le mouvement d'un wafer autour de son axe de rotation ;
- Insolation : désigne une exposition d'une préparation ou d’un objet photosensible à la lumière ;
- Développement : désigne l’étape consistant en la dissolution de zones de résine photosensible positive (ou négative) insolées (ou non) à travers un masque de photolithographie par immersion d’un wafer sur lequel est déposé de la résine dans une solution chimique dit développeur.
- Recuit : désigne un procédé correspondant à un cycle de chauffage. Celui-ci consiste en une étape de montée graduelle en température suivie d'un refroidissement contrôlé de manière à modifier les propriétés physico-chimiques des matériaux ainsi traités.
- Chauffage : désigne une action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau, etc.
- Epaisseur d’une couche : désigne la dimension mesurée selon l’axe perpendiculaire au plan du wafer concernant notamment les matériaux de type résine et silicium.
- Profondeur de la cavité : désigne la dimension mesurée selon l’axe perpendiculaire au plan du wafer de la zone de déplacement vibratoire potentiel de la membrane, notamment définie par la somme des épaisseurs des deux couches de résine structurelle.
- La résine photosensible : désigne un matériau dont les propriétés physico-chimiques sont modifiées de façon irréversible sous l’effet de l’exposition à une source lumineuse.
- Une rigidité diélectrique : désigne la valeur maximale du champ électrique que l’on peut appliquer à un matériau isolant avant dégradation irréversible par l’apparition d’arcs électriques rendant impossible l’application d’un nouveau champ électrique.
- Permittivité relative : désigne le rapport entre la permittivité absolue d’un matériau et la permittivité d’un milieu de référence, notamment le vide.
- Résistivité électrique : désigne l’aptitude intrinsèque d’un matériau à s’opposer à la circulation d’un courant électrique indépendamment de ses dimensions et de sa géométrie.
- Ultrason/ultrasonore : dans le cas présent de mesures des paramètres physiques (vitesse, angle de tangage, angle d’incidence, température, etc.) d’un mobile en mouvement ou au repos, désigne une onde mécanique qui se propage au travers de milieux de type fluides ou solides et dont la fréquence est comprise entre 20 kHz et 1GHz ;
- Transducteur électroacoustique : désigne la propriété d’un objet qui sous l’effet d’un champ électrique répond de façon mécanique par l’émission d’une onde acoustique ;
- Miniaturisé : désigne les objets de petites dimensions dont la taille (longueur, largeur, profondeur, rayon, épaisseur, etc.) est inférieure à 3 cm ;
- Haute tension : désigne les valeurs de la tension électrique supérieure à 500 V en courant alternatif ou en courant continu ;
- Pression acoustique : décrit la variation de la pression en présence d’une onde acoustique ;
- Bas niveau : désigne la gamme de fréquences ultrasonores située vers la limite basse de l’intervalle de définition des fréquences ultrasonores, dans le cas présent, typiquement comprise entre 20 kHz et 110 kHz ;
- Dépôt : désigne le procédé consistant notamment à déposer une couche de matériau sur une surface quelconque. Par exemple, dans le cas du dépôt d’une résine, cela désigne les étapes d’enduction (application de résine sur un wafer), de rotation du wafer (détermination de l’épaisseur de la couche de résine), et de cuisson (évaporation des solvants et pré-durcissement de la résine) ;
- Structuration : désigne notamment dans le cas d’une résine photosensible les étapes d’insolation (exposition aux ultraviolets de zones spécifiques définies par et à travers un masque dit de photolithographie comprenant des motifs), de recuit (nouvelle cuisson conduisant au changement de solubilité des zones exposées et garantissant la polymérisation de la résine) et de développement (report des motifs du dit masque dans la couche de résine) ;
- Rotation d’un wafer : désigne le mouvement d'un wafer autour de son axe de rotation ;
- Insolation : désigne une exposition d'une préparation ou d’un objet photosensible à la lumière ;
- Développement : désigne l’étape consistant en la dissolution de zones de résine photosensible positive (ou négative) insolées (ou non) à travers un masque de photolithographie par immersion d’un wafer sur lequel est déposé de la résine dans une solution chimique dit développeur.
- Recuit : désigne un procédé correspondant à un cycle de chauffage. Celui-ci consiste en une étape de montée graduelle en température suivie d'un refroidissement contrôlé de manière à modifier les propriétés physico-chimiques des matériaux ainsi traités.
- Chauffage : désigne une action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau, etc.
- Epaisseur d’une couche : désigne la dimension mesurée selon l’axe perpendiculaire au plan du wafer concernant notamment les matériaux de type résine et silicium.
- Profondeur de la cavité : désigne la dimension mesurée selon l’axe perpendiculaire au plan du wafer de la zone de déplacement vibratoire potentiel de la membrane, notamment définie par la somme des épaisseurs des deux couches de résine structurelle.
- La résine photosensible : désigne un matériau dont les propriétés physico-chimiques sont modifiées de façon irréversible sous l’effet de l’exposition à une source lumineuse.
- Une rigidité diélectrique : désigne la valeur maximale du champ électrique que l’on peut appliquer à un matériau isolant avant dégradation irréversible par l’apparition d’arcs électriques rendant impossible l’application d’un nouveau champ électrique.
- Permittivité relative : désigne le rapport entre la permittivité absolue d’un matériau et la permittivité d’un milieu de référence, notamment le vide.
- Résistivité électrique : désigne l’aptitude intrinsèque d’un matériau à s’opposer à la circulation d’un courant électrique indépendamment de ses dimensions et de sa géométrie.
L’invention a pour objet une méthode de fabrication d’un émetteur électroacoustique miniaturisé apte à fonctionner à des hautes tensions supérieures à 500 V et de rayonner à de fortes pressions acoustiques à 1m comprises entre 80 dB et 150 dB à une fréquence ultrasonore d’activation de bas niveau comprise entre 20 kHz et 110 kHz. Cette méthode comprend les étapes suivantes :
E tape 1: sur au moins un wafer support, de surface S, notamment en verre, de préférence amorphe, utilisé comme wafer substrat, est déposée une couche métallique en matériau conducteur, notamment en or, sur la surface S dudit wafer support et structurée sur ladite surface S du wafer support selon :
- une électrode inférieure,
- et un pad d’alimentation électrique,
- et une piste électrique reliant ladite électrode inférieure et ledit pad d’alimentation ;
- une électrode inférieure,
- et un pad d’alimentation électrique,
- et une piste électrique reliant ladite électrode inférieure et ledit pad d’alimentation ;
E tape 2 :dépôt en au moins deux étapes intermédiaires (étape 2-1 et étape 2-2) d’au moins deux couches de résines, de propriétés physiques et chimiques similaires ou sensiblement différentes :
- étape 2-1 : une couche de résine, ayant une bonne qualité d’adhérence sur le wafer support et une rigidité électrique élevée en adéquation avec les hautes tensions, est déposée sur la surface S du wafer support et/ou sur la couche métallique et structurée sur au moins une partie de la surface S du wafer support et/ou sur ladite couche métallique pour recouvrir au moins partiellement ladite surface S et/ou la ladite couche métallique ;
- Etape 2-2 : une couche de résine, ayant une bonne qualité d’adhérence sur la couche de résine précédente et une rigidité diélectrique élevée en adéquation avec les hautes tensions, est déposée sur la couche de résine précédente et structurée sur cette dernière en formant au moins une périphérie d’encastrement ;
- lesdites deux couches de résine déposées et structurées forment un ensemble de couches structuré selon une forme géométrique de manière à former une cavité C de profondeur L de manière à définir un gap mécanique et éventuellement en grande partie un gap électrostatique,
- étape 2-1 : une couche de résine, ayant une bonne qualité d’adhérence sur le wafer support et une rigidité électrique élevée en adéquation avec les hautes tensions, est déposée sur la surface S du wafer support et/ou sur la couche métallique et structurée sur au moins une partie de la surface S du wafer support et/ou sur ladite couche métallique pour recouvrir au moins partiellement ladite surface S et/ou la ladite couche métallique ;
- Etape 2-2 : une couche de résine, ayant une bonne qualité d’adhérence sur la couche de résine précédente et une rigidité diélectrique élevée en adéquation avec les hautes tensions, est déposée sur la couche de résine précédente et structurée sur cette dernière en formant au moins une périphérie d’encastrement ;
- lesdites deux couches de résine déposées et structurées forment un ensemble de couches structuré selon une forme géométrique de manière à former une cavité C de profondeur L de manière à définir un gap mécanique et éventuellement en grande partie un gap électrostatique,
E tape 3: sur au moins un wafer de silicium est déposée ou collée au moins une couche, laquelle a des propriétés physiques et chimiques similaires ou sensiblement différentes des autres couches de résine précédentes. L’ensemble constitué par ledit wafer de silicium et ladite couche déposée est ensuite déposé ou collé sous vide sur l’ensemble de couches de résine précédentes de manière à fermer complètement la cavité C. Le wafer de silicium et éventuellement la couche déposée forment une membrane vibrante, laquelle comprend une partie mobile MV capable de vibrer sous l’action d’un champ électrique et une partie fixe servant d’appui pour la partie mobile.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, l’étape 2 comprend en outre une étape 2-3 dans laquelle une couche de résine est déposée sur la couche métallique, principalement sur l’électrode inférieure et sur une partie de la première couche de résine ou des couches de résine précédente(s) déposée(s) sur le wafer support et structurée sur ladite couche métallique et éventuellement sur une partie des couches de résine précédentes déposées sur le wafer support. Cette couche de résine a des propriétés physiques et chimiques sensiblement différentes des autres couches déposées, une bonne qualité d’adhérence sur la couche métallique et éventuellement sur les couches de résine déposée sur le wafer support, une rigidité diélectrique supérieure à 500V/µm et une permittivité relative supérieure à 3.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, l’épaisseur de la couche de résine déposée à l’étape 2-3 de résine est plus faible que l’épaisseur de la première couche de résine et/ou de la seconde couche de résine déposée sur le wafer support. L’épaisseur de cette couche de résine est d’au moins 4 µm, de préférence 7 µm.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, la couche déposée sur le wafer silicium est une couche de résine ayant de bonnes propriétés de collage avec lesdites couches de résine déposées sur le wafer support, ladite couche de résine ayant une épaisseur au moins égale à 2 µm, de préférence 5 µm.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, l’étape 3 comprend en outre, avant le dépôt de la couche ayant des propriétés physiques et chimiques similaires ou sensiblement différentes des couches de résine déposées sur le wafer support, une étape consistant en une oxydation thermique du wafer de silicium conduisant à la formation sur ledit wafer silicium d’une couche d’oxyde de silicium, d’une épaisseur d’au moins 2 µm, protégeant ledit wafer silicium.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, la première couche de résine déposée sur le wafer support est structurée selon une périphérie légèrement inférieure à celle de l’électrode inférieure et a une épaisseur de l’ordre de la moitié de la profondeur de la cavité, de préférence 10 µm à 50 µm.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, au moins une des couches déposées est isolante.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, à l’étape 3, le dépôt de la couche ayant des propriétés physiques et chimiques similaires ou sensiblement différentes des autres couches de résine déposées sur le wafer support, sur le wafer de silicium est suivie d’une étape de recuit ne conduisant pas à une réticulation totale de ladite couche et la réticulation de ladite couche est finalisée par une insolation et un chauffage après collage avec l’ensemble constitué par le wafer support, la couche métallique et les deux couche de résine.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, au moins une des couches déposées à l’étape 2-1, à l’étape 2-2 et à l’étape 3 est en résine photosensible négative de type SU-8 et la couche de résine déposée à l’étape 2-3 est en résine photosensible positive de type AZ, notamment AZ9260.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1a représente les étapes de la méthode de fabrication de l’émetteur électroacoustique capacitif miniaturisé selon l’invention. L’émetteur fabriqué, est apte à fonctionner à des hautes tensions supérieures à 500 V et de rayonner à de fortes pressions acoustiques à 1 m comprises entre 80 dB et 150 dB à une fréquence ultrasonore d’activation de bas niveau comprise entre 20 kHz et 110 kHz. Cette méthode de fabrication de l’émetteur électroacoustique capacitif miniaturisé comprend les étapes suivantes :
Étape 1: sur un wafer support (1) de surface S, utilisé comme substrat, est déposée une couche métallique (10) en matériau conducteur, notamment en or sur la surface S dudit wafer support (1). Cette couche métallique (10) est structurée sur ladite surface S selon :
- une électrode inférieure (11),
- et un pad d’alimentation électrique (12)
- et une piste électrique (13) reliant ladite électrode inférieure et ledit pad d’alimentation.
- une électrode inférieure (11),
- et un pad d’alimentation électrique (12)
- et une piste électrique (13) reliant ladite électrode inférieure et ledit pad d’alimentation.
Étape 2: l’étape 2 comprend au moins deux étapes intermédiaires (étape 2-1, étape 2-2) suivantes, lesquelles sont caractérisées par le dépôt d’au moins deux couches (21, 22) de résine, de propriétés physiques et chimiques similaires ou sensiblement différentes :
- Etape 2-1 :une couche (21) de résine est déposée sur la surface S du wafer support (1) et/ou sur la couche métallique (10) et structurée sur au moins une partie de la surface S du wafer support (1) et/ou sur ladite couche métallique (10) pour recouvrir au moins partiellement ladite surface S du wafer support (1) et/ou ladite couche métallique (10), et notamment la piste électrique (13). Cette couche (21) de résine est une couche à double fonction en ce qu’elle a de bonnes qualités d’adhérence sur le wafer support (1) et/ou sur la couche métallique (10), et une rigidité diélectrique élevée en adéquation avec les hautes tensions ;
- Etape 2-2 : une couche (22) de résine est déposée sur la couche (21) de résine et structurée sur cette dernière en formant une périphérie d’encastrement d’au moins un wafer de silicium (30). Cette couche (22) de résine est une couche à double fonction en ce qu’elle a de bonnes qualités d’adhérence sur la couche (21) et une rigidité diélectrique élevée en adéquation avec les hautes tensions,
- Etape 2-1 :une couche (21) de résine est déposée sur la surface S du wafer support (1) et/ou sur la couche métallique (10) et structurée sur au moins une partie de la surface S du wafer support (1) et/ou sur ladite couche métallique (10) pour recouvrir au moins partiellement ladite surface S du wafer support (1) et/ou ladite couche métallique (10), et notamment la piste électrique (13). Cette couche (21) de résine est une couche à double fonction en ce qu’elle a de bonnes qualités d’adhérence sur le wafer support (1) et/ou sur la couche métallique (10), et une rigidité diélectrique élevée en adéquation avec les hautes tensions ;
- Etape 2-2 : une couche (22) de résine est déposée sur la couche (21) de résine et structurée sur cette dernière en formant une périphérie d’encastrement d’au moins un wafer de silicium (30). Cette couche (22) de résine est une couche à double fonction en ce qu’elle a de bonnes qualités d’adhérence sur la couche (21) et une rigidité diélectrique élevée en adéquation avec les hautes tensions,
Lesdites couches (21, 22) de résine déposées et structurées, forment un ensemble de couches (20) structuré selon une forme géométrique de manière à former une cavité C de profondeur L.
Étape 3: sur le wafer de silicium (30) est déposée ou collée une couche (31). L’ensemble constitué par ledit wafer de silicium (30) et la couche (31) est ensuite déposé ou collé sous vide sur l’ensemble de couches (20) de résine de manière à fermer au moins complètement la cavité C. Une fois déposé ou collé, ledit wafer de silicium (30) et éventuellement ladite couche (31) forment une membrane vibrante, laquelle comprend au moins une partie mobile MV capable de vibrer sous l’action d’un champ électrique et une partie fixe servant d’appui pour la partie mobile.
La couche (31) déposée a des propriétés physiques et chimiques similaires ou sensiblement différentes des autres couches (21, 22) de résine et a de bonnes propriétés d’adhésion et de collage avec lesdites couches (21, 22) de résine et le wafer silicium (30) sur lequel elle est elle-même déposée. De ce fait, cette couche (31) est une couche à double fonction ; sa première fonction étant d’adhérer sur le wafer silicium (30) et de favoriser le collage entre le wafer de silicium (30) sur lequel elle est elle-même déposé et l’ensemble constitué par le wafer support (1) et les couches (21, 22) de résine ; et sa seconde fonction étant de renforcer la protection du wafer de silicium (30) formant l’électrode supérieure. Notant que, la couche (31) est en vis-à-vis direct avec la couche (22).
Avantageusement, la forme de la cavité C est cylindrique car cette forme est plus facile à mettre en œuvre industriellement.
Le wafer support (1) est de type quartz ou silice fondue ou verre borosilicate ou simplement en verre, de préférence amorphe, avec une résistivité électrique de l’ordre de 1018Ohm/cm à la température ambiante de manière à éviter les problèmes liés aux courants de fuite.
La couche (21) de résine permet de définir une surface d’accueil pour la couche (22). De plus, cette couche (21) de résine présente une capacité structurelle conformément au rôle joué par celle-ci en tant que base de l’encastrement de la membrane vibrante. En outre, la rigidité diélectrique de cette couche (21) de résine est en adéquation avec les hautes tensions dans la gamme de 500V à 4000V. Enfin, l’épaisseur de la couche (21) de résine, combinée à celle de la couche (22), est telle qu’elle autorise la déflexion de la membrane dans la cavité.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, la couche (31) est une couche de résine qui a de bonnes propriétés d’adhésion et de collage avec les couches (21, 22) de résine et avec le wafer support (30). Elle a une épaisseur au moins égale à 2 µm, de préférence 5 µm.
Selon d’autres caractéristique de l’invention, au moins une des couches (21, 22, 31), de préférence toutes les couches (21, 22, 31), est en résine photosensible négative. En effet, cette résine photosensible négative présente l’avantage en ce que, lorsqu’elle est exposée à une source lumineuse, notamment de type ultraviolet, elle réticule efficacement.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, au moins une des couches (21, 22, 31) est en résine photosensible négative de type SU-8. En effet, la résine de type SU-8 est un polymère visqueux qui peut être tourné ou étalé sur une épaisseur allant jusqu’à quelques millimètres. Cette résine SU-8 est choisie en ce qu’elle présente des caractéristiques intéressantes en termes d’adhérence notamment sur le verre, notamment amorphe, de capacité structurelle et de rigidité diélectrique avoisinant 100V/µm ou plus. En outre, la résine SU-8, après développement, conduit à une structure hautement polymérisée et très stable face aux produits chimiques et aux radiations.
La seconde couche (22) de résine a une rigidité diélectrique élevée en adéquation avec les hautes tensions dans la gamme de 500 V à 4000V. L’épaisseur de la seconde couche (22) est telle que la somme des épaisseurs de la couche (21) et de la seconde couche (22) de résine est sensiblement égale à la profondeur L de la cavité C. Cette permet de définir une surface intermédiaire d’accueil pour l’ensemble constitué par le wafer support (1) et la couche (31).
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, la couche (22) présente sensiblement les mêmes caractéristiques que la couche (21) en termes de capacité structurelle et de rigidité diélectrique. Étant donné les caractéristiques similaires requises, la couche (22) de résine est préférentiellement réalisée dans le même matériau que la couche (21) de résine, c’est-à-dire en résine de type SU-8.
La superposition des couches (21, 22) de résine déposées en deux étapes selon l’invention, permet d’obtenir une épaisseur totale de résine raisonnable autour de 40 µm. Elle permet aussi d’obtenir une profondeur de cavité C raisonnable de manière plus simple et moins couteuse. Cette épaisseur ainsi qu’une rigidité diélectrique autour de 100V/µm autorisent un fonctionnement de l’émetteur à haute tension dans la plage de 500V à 4000V.
Le dépôt des couches (21, 22) de résine respecte une procédure comprenant :
- une étape consistant en la rotation pendant quelques secondes de l’ensemble du wafer support (1) (le wafer support (1) et les couches déposées sur ledit wafer support (1) ;
- une étape consistant au chauffage pendant quelques minutes de manière à évaporer les solvants et pré-durcir la résine déposée ;
- une étape consistant en l’exposition aux ultra-violets de la résine déposée à travers un masque de photolithographie ce qui, outre le transfert des motifs du masque, permet d’initier la polymérisation de la résine ;
- une étape de recuit de la résine déposée de manière à finaliser la polymérisation de la couche de résine ;
- une étape consistant au développement de la résine déposée.
- une étape consistant en la rotation pendant quelques secondes de l’ensemble du wafer support (1) (le wafer support (1) et les couches déposées sur ledit wafer support (1) ;
- une étape consistant au chauffage pendant quelques minutes de manière à évaporer les solvants et pré-durcir la résine déposée ;
- une étape consistant en l’exposition aux ultra-violets de la résine déposée à travers un masque de photolithographie ce qui, outre le transfert des motifs du masque, permet d’initier la polymérisation de la résine ;
- une étape de recuit de la résine déposée de manière à finaliser la polymérisation de la couche de résine ;
- une étape consistant au développement de la résine déposée.
L’étape de chauffage est importante car elle consiste à évaporer le solvant de la résine et à pré-durcir la couche avec pour objectif de minimiser les contraintes dans celle-ci. A cet effet, le chauffage peut être réalisé en deux étapes, avec un premier palier 65°C pendant un certain temps, et un second palier à 95°C pendant un certain temps, lesdits paliers étant déterminés en fonction de l'épaisseur de la résine déposée. A la fin du second palier, la température est réduite progressivement jusqu'à la température ambiante.
Pour la structuration des couches (21, 22), la résine SU-8 est exposée, au travers d'un masque optique avec un motif inversé. Le temps d'exposition à la source UV dépend de l'épaisseur de la couche et de la dose d'exposition.
Après l’étape d’exposition, la résine subit un recuit pour compléter la polymérisation. Celui-ci est relativement lent et contrôlé afin de minimiser les contraintes dans les couches.
Le développement permet de structurer les couches de résine selon une géométrie définie au préalable. Le temps de développement dépend de l'épaisseur de la couche de résine déposée.
Dans le cas où la couche (31) est une couche de résine, celle-ci a des propriétés favorisant le collage préférentiellement avec une couche de résine de type SU-8 ou autres. Elle a une épaisseur réduite pour à minimiser l’augmentation du gap électrostatique effectif.
Le dépôt de cette couche (31) de résine sur le wafer de silicium (30) suit sensiblement la même procédure que les deux couches (21, 22) de résine, excepté que son exposition et son recuit final succèdent au collage du wafer de silicium (30) et de l’ensemble constitué du wafer support (1) et des couches (10, 21, 22) :
- une étape consistant en la rotation pendant quelques secondes de l’ensemble du wafer de silicium (30) ;
- une étape consistant au chauffage pendant quelques minutes de manière à évaporer les solvants et pré-durcir la résine déposée ;
- une étape intermédiaire consistant au collage du wafer de silicium (30) avec la couche (31) de résine sur l’ensemble constitué du wafer support (1), de la couche métallique structurée (10), des couches structurées (21, 22) de résine ;
- une étape consistant en l’exposition « pleine plaque » aux ultra-violets de la résine afin d’initier la polymérisation de la couche (31) de résine ;
- une étape de recuit de la résine déposée de manière à finaliser la polymérisation de la couche de résine (31).
- une étape consistant en la rotation pendant quelques secondes de l’ensemble du wafer de silicium (30) ;
- une étape consistant au chauffage pendant quelques minutes de manière à évaporer les solvants et pré-durcir la résine déposée ;
- une étape intermédiaire consistant au collage du wafer de silicium (30) avec la couche (31) de résine sur l’ensemble constitué du wafer support (1), de la couche métallique structurée (10), des couches structurées (21, 22) de résine ;
- une étape consistant en l’exposition « pleine plaque » aux ultra-violets de la résine afin d’initier la polymérisation de la couche (31) de résine ;
- une étape de recuit de la résine déposée de manière à finaliser la polymérisation de la couche de résine (31).
Le dépôt de la couche (31) de résine sur le wafer de silicium (30) est suivi d’un chauffage ne conduisant pas à la réticulation totale de ladite couche (31) de résine. La réticulation de la couche (31) de résine est finalisée par une insolation et un chauffage après collage avec l’ensemble constitué par le wafer support (1) et les couches (21, 22) de résine à la fin de l’étape 3, c’est-à-dire une fois que le collage des deux wafers (le collage de l’ensemble constitué par le wafer support (1) et les couches (10, 21, 22) avec le wafer constitué par les couches (30, 31)) est effectif. Ceci permet de conserver une certaine fluidité à la couche (31) de résine pour faciliter la phase de mise en contact et/ou de collage des deux wafers. L’épaisseur de la couche (31) de résine est de quelques microns, de préférence 5 µm. La couche (31) de résine est en résine photosensible négative, de préférence de type SU-8.
Le fait d’utiliser une couche (31) en résine de type SU-8 permet un collage efficace avec la couche (22) de résine, réalisée dans ce même résine de type SU-8 et une meilleure protection de l’électrode supérieure, c’est-à-dire du wafer de silicium (30).
La méthode de fabrication décrite selon l’invention a déjà été validée par la conception, la fabrication et la caractérisation électromécanique et acoustique de prototypes d’émetteurs.
En référence à la figure 1b, l’étape 1 et l’étape 2 de la méthode selon l’invention sont ceux de la figure 1a. Cependant, l’étape 3 comprend une étape consistant en une oxydation thermique du wafer de silicium (30) conduisant à la formation sur la surface dudit wafer silicium (30) d’une couche (32) d’oxyde de silicium d’au moins 2 µm d’épaisseur. En effet, avant de déposer la couche (31), le wafer silicium (30) est oxydé thermiquement afin de modifier ses propriétés chimiques et physiques en surface. Ce traitement thermique (oxydation thermique) conduit à la formation d’une couche d’oxyde de silicium à la surface du wafer silicium (30). Ainsi est déposée la couche (32) d’oxyde de silicium par oxydation thermique du wafer silicium (30). Géographiquement, cette couche (32) est située entre le wafer de silicium (30) et la couche (31), laquelle est déposée sur cette couche (32).
La couche (32) a pour fonction principale la protection du wafer de silicium (30) constituant l’électrode supérieure pour éviter les décharges partielles entre ledit wafer de silicium (30) et l’électrode inférieure (11).
La figure 2 illustre un transducteur électroacoustique capacitif ultrasonore miniaturisé fabriqué selon la méthode de fabrication objet de la présente invention. Ce transducteur comprend un wafer support (1), un wafer de silicium (30) formant membrane vibrante, une couche métallique (10) (non représentée) comprenant une électrode inférieure (11), un pad d’alimentation (12) (non représenté) et une piste électrique (13) reliant ladite électrode inférieure et ledit pad d’alimentation (non représenté), une première, une seconde et une troisième couche (21, 22, 31) de résine ayant une rigidité diélectrique élevée.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, le transducteur comprend en outre une couche (32) en oxyde de silicium protégeant le wafer silicium (30).
En référence à la figure 3, le transducteur comprend une couche (24) de résine déposée sur la couche métallique (10) et sur une partie de la couche (21) de résine ou des couches (21, 22) de résine. Cette couche (24) est déposée à l’étape 2. De fait, l’étape 2 comprend en outre une autre étape intermédiaire ci-après nommé étape 2-3 consistant au dépôt de la couche (24) de résine sur la couche métallique (10), principalement sur l’électrode inférieure (11) et au moins sur une partie de la couche (21) ou des couches (21, 22). Ce dépôt de la couche (24) de résine est structurée sur de ladite couche métallique (10), notamment sur l’électrode inférieure (11) et éventuellement sur une partie de la couche (21) ou des couches (21, 22) de manière à protéger ladite couche (10), notamment l’électrode supérieure (11) et éventuellement une partie de la couche (21) ou des couches (21, 22). Cette couche (24) de résine a des propriétés physiques et chimiques sensiblement différentes des autres couches (21, 22, 31) de résine, une bonne qualité d’adhérence sur la couche métallique (10), une rigidité diélectrique supérieure à 500V/µm et une permittivité relative supérieure à 3. En effet, plus le niveau de la rigidité diélectrique est important, plus l’épaisseur de la couche peut être faible. Dans le cas de la couche (24) de résine, l’épaisseur requise pour supporter une tension de 4000V est de l’ordre de 7 µm.
Avantageusement, l’épaisseur de la couche (24) de résine est conditionnée par la rigidité diélectrique de la résine considérée, généralement de l’ordre de quelques microns, de préférence inférieure à 10µm. Par conséquent, l’épaisseur de la couche (24) de résine est plus faible que l’épaisseur de la couche (21) et/ou de la couche (22) de résine. Elle est d’au moins 4 µm, de préférence 7 µm.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, la couche (24) de résine est structurée selon une périphérie légèrement supérieure à celle de la couche (21) de résine de manière à recouvrir totalement l’électrode inférieure (11), et à recouvrir au moins partiellement la couche (21) de résine.
La valeur de la permittivité relative supérieure à 3 est choisie pour obtenir un niveau de pression électroacoustique supérieur pour un même niveau de tension.
La couche (24) de résine est en résine inversible, qui est une résine positive ayant la propriété de changer de polarité suite à une étape de recuit. La résine de la couche (24) est préférentiellement de type AZ, notamment AZ9260. Cette résine est choisie en ce qu’elle présente des caractéristiques intéressantes en termes de permittivité relative supérieure à 3 et surtout de rigidité diélectrique supérieure à 500 V/µm, de préférence de 500 V/µm à 700 V/µm. Ainsi, une épaisseur de 7 µm par exemple conduit d’une part, à une augmentation du gap électrostatique effectif autour de 1,75 µm (valeur acceptable avec une profondeur de cavité de l’ordre de 20 µm à 50 µm) et d’autre part, à un niveau de tension admissible supérieur à 4000 V.
La couche (21) de résine est structurée selon une périphérie légèrement inférieure à celle de l’électrode inférieure et a une épaisseur de l’ordre de la moitié de la profondeur L de la cavité C, soit une épaisseur de l’ordre de 10 µm à 50 µm, de préférence de l’ordre de 10 µm à 25 µm. Cette configuration permet de recouvrir au moins partiellement l’électrode inférieure (11) et de définir une surface d’accueil intermédiaire pour la couche (24) de résine qui est une couche de protection de l’électrode inférieure (11). Ceci, pour ne pas affecter l’uniformité de la face supérieure sur laquelle sera rapportée l’ensemble constitué par le wafer silicium (30) et la couche (31) constituant la membrane vibrante. En effet, la couche (24) de résine repose au moins sur une surface d’accueil de la couche (21) de résine et éventuellement sur une partie de la couche (22) de résine. De préférence, cette couche (24) de résine repose au moins partiellement sur la couche (21) de résine pour éviter une surépaisseur peu favorable au bon collage des wafers.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, la couche (21) de résine a une épaisseur de l’ordre de la moitié de la profondeur L de la cavité C, de préférence 10 µm à 50 µm. La couche (31) a une épaisseur au moins égale à 2 µm, de préférence 5 µm.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, au moins une couche de résine (21, 22, 31) est en résine photosensible négative de type SU-8 et la couche (24) de résine est en résine photosensible positive de type AZ.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, comme dans la figure 1b, l’étape 3 comprend, dans certains cas et pour éviter au mieux les décharges partielles entre le wafer silicium (30) et l’électrode inférieure (11), une étape consistant en une oxydation thermique du wafer de silicium (30) conduisant à la formation de la couche (32) d’oxyde de silicium. Cette couche (32) d’oxyde de silicium déposée permet d’éviter les décharges partielles entre le wafer de silicium (30) et l’électrode inférieure (11) selon deux modes de réalisation : (i) soit en tant qu’alternative à la troisième couche de résine (24) en protégeant le wafer de silicium (30) en lieu et place de la protection de l’électrode inférieure (11) par la troisième couche de résine (24), (ii) soit en tant que complément à la troisième couche de résine (24) en protégeant le wafer de silicium (30) en plus de la protection de l’électrode inférieure (11) par la troisième couche de résine (24).
La figure 4 fait référence à un mode de réalisation de la méthode de fabrication selon l’invention avec pour objectif, une protection maximale de toutes les pistes électriques et d’insérer au niveau de l’électrode une résine possédant de bonnes propriétés en termes de rigidité diélectrique. Les étapes de fabrication sont les suivantes :
Etape 1: sur un wafer support (1) en verre, on dépose par pulvérisation notamment cathodique, après nettoyage dudit wafer support (1) par plasma et traitement de ce dernier par un dépôt de chrome d’environ 10 nm pour faciliter la structuration, une couche mince d’or (10) d’une épaisseur d’au moins 200 nm. Cette couche d’or (10) est structurée par lithographie via une structuration négative selon une électrode inférieure (11), un pad d’alimentation (12) et une piste électrique (13) reliant ladite électrode inférieure et ledit pad d’alimentation.
Etape 2: dépôt des couches (20) de résine structurées selon une forme géométrique formant la cavité C de profondeur L définissant le gap mécanique et en grande partie le gap électrostatique. Le dépôt dans cette étape 2 se fait en plusieurs étapes intermédiaires suivantes :
Etape 2-1: on dépose une couche (21) de résine photosensible négative de type SU-8, notamment de la résine SU8 3025, sur l’ensemble du wafer formé à l’étape 1 (wafer support (1) comprenant la couche métallique (10)) d’une épaisseur d’environ 15 µm. Cette couche (21) de résine SU-8 est structurée selon une périphérie légèrement inférieure à celle de la couche métallique (10), notamment sur l’électrode inférieure (11), de manière à recouvrir au moins partiellement ladite couche métallique (10) et notamment la piste électrique (13). Le dépôt et la structuration de cette couche (21) de résine SU-8 se fait par enduction, rotation suivie d’un chauffage, d’une insolation, d’un recuit et d’un développement, chacun/chacune pendant quelques minutes.
Etape 2-2: on dépose une couche (22) de résine photosensible négative de type SU-8, notamment de la résine SU-8 3025 ou SU-8 2010, sur le wafer formé à l’étape 2-1 d’une épaisseur d’environ 15 µm. Cette couche (22) de résine SU-8 est structurée sur la couche (21) de résine SU-8 de manière à la recouvrir tout en formant une périphérie d’encastrement. Le dépôt et la structuration de cette couche (22) de résine SU-8 se fait par enduction, rotation suivie d’un chauffage, d’une insolation, d’un recuit et d’un développement, chacun/chacune pendant quelques minutes.
Etape 2-3: on dépose une couche (24) de résine photosensible positive de type AZ, notamment de résine de type AZ 9260, sur le wafer de l’étape 2-2 d’une épaisseur d’environ 7 µm. Cette couche (24) de résine est structurée au moins sur toute la surface de la couche métallique (10) et notamment de l’électrode inférieure (11), pour recouvrir ladite couche métallique (10), et notamment l’électrode inférieure (11). Le dépôt et la structuration de cette couche (24) se fait par rotation suivie d’un chauffage, d’une insolation, d’un recuit et d’un développement, chacun/chacune pendant quelques minutes. Cette couche (24) est structurée de manière à recouvrir partiellement la couche de résine (21) ; ceci pour garantir la couverture totale de l’électrode inférieure (11).
Etape 3:
(i) dépôt sur le wafer de silicium (30) formant électrode supérieure et utilisé comme membrane vibrante, d’une couche (31) de résine photosensible négative de type SU-8, notamment de la résine de type SU-8 2005 ou de type SU-8 3025, d’une épaisseur d’environ 5 µm. Cette couche (31) de résine SU-8 est structurée sur toute la surface du wafer silicium (30) pour recouvrir totalement ledit wafer de silicium. Le dépôt et la structuration de cette couche (31) de résine SU-8 se fait par rotation du wafer suivie d’un recuit ne conduisant pas à une réticulation totale de cette dernière ;
(ii) puis collage de l’ensemble constitué du wafer de silicium (30) et de la couche (31) de résine SU-8 avec l’ensemble du wafer formé à l’étape 2-3 (l’ensemble constitué du wafer support (1) et des couches (10, 21, 22, 24). Ce collage est suivi d’une réticulation de la couche (31) de résine SU-8. Cette réticulation de la résine est finalisée par une insolation et un chauffage.
(i) dépôt sur le wafer de silicium (30) formant électrode supérieure et utilisé comme membrane vibrante, d’une couche (31) de résine photosensible négative de type SU-8, notamment de la résine de type SU-8 2005 ou de type SU-8 3025, d’une épaisseur d’environ 5 µm. Cette couche (31) de résine SU-8 est structurée sur toute la surface du wafer silicium (30) pour recouvrir totalement ledit wafer de silicium. Le dépôt et la structuration de cette couche (31) de résine SU-8 se fait par rotation du wafer suivie d’un recuit ne conduisant pas à une réticulation totale de cette dernière ;
(ii) puis collage de l’ensemble constitué du wafer de silicium (30) et de la couche (31) de résine SU-8 avec l’ensemble du wafer formé à l’étape 2-3 (l’ensemble constitué du wafer support (1) et des couches (10, 21, 22, 24). Ce collage est suivi d’une réticulation de la couche (31) de résine SU-8. Cette réticulation de la résine est finalisée par une insolation et un chauffage.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, l’étape 3 comprend en outre, dans certains cas et pour éviter au mieux les décharges partielles entre le wafer silicium (30) et l’électrode inférieure (11), une étape consistant en une oxydation thermique du wafer de silicium (30) conduisant à la formation de la couche (32) d’oxyde de silicium.
La méthode de fabrication selon l’invention permet de fabriquer des transducteurs fonctionnant à haute tension, car ceux-ci sont caractérisés par de hautes performances à savoir : une pression acoustique rayonnée à 1 m comprise entre 80 dB et 150 dB, une fréquence ultrasonore d’activation de bas niveau comprise entre 20 kHz et 110 kHz et une amplitude vibratoire importante comprise entre 10 µm et 40 µm. La méthode de fabrication selon l’invention permet donc de lever le verrou selon lequel il n’est pas possible de fabriquer un transducteur électroacoustique capacitif miniaturisé fonctionnant à haute tension.
La présente invention n’est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l’homme du métier saura y apporter une variante conforme à son esprit.
Claims (9)
- Méthode de fabrication d’un émetteur électroacoustique miniaturisé apte à fonctionner à des hautes tensions supérieures à 500 V et de rayonner à de fortes pressions acoustiques à 1m comprises entre 80 dB et 150 dB à une fréquence ultrasonore d’activation de bas niveau comprise entre 20 kHz et 110 kHz, comprenant les étapes suivantes :
é tape 1: sur au moins un wafer support (1), de surface S, notamment en verre, de préférence amorphe, utilisé comme wafer substrat, est déposée une couche métallique (10) en matériau conducteur, notamment en or, sur la surface S du wafer support (1) et structurée sur ladite surface S, selon :- une électrode inférieure (11),
- et un pad d’alimentation électrique (12),
- et une piste électrique (13) reliant ladite électrode inférieure (11) et ledit pad d’alimentation (12),
- étape 2-1 : une couche (21) de résine, ayant une bonne qualité d’adhérence sur le wafer support (1) et une rigidité électrique élevée en adéquation avec les hautes tensions, est déposée sur la surface S du wafer support (1) et/ou de la couche métallique (10), et structurée sur au moins une partie de la surface S du wafer support (1) et/ou sur ladite couche métallique (10) pour recouvrir partiellement ladite surface S et/ou la ladite couche métallique (10),
- étape 2-2 : une couche (22) de résine, ayant une bonne qualité d’adhérence sur la couche (21) et une rigidité diélectrique élevée en adéquation avec les hautes tensions, est déposée sur la couche (21) de résine et structurée sur cette dernière en formant une périphérie d’encastrement,
- lesdites deux couches (21, 22) formant un ensemble de couches (20) structuré selon une forme géométrique de manière à former une cavité C de profondeur L de manière à définir un gap mécanique et éventuellement en grande partie un gap électrostatique,
- Méthode de fabrication selon la revendication 1 caractérisée en ce que, l’étape 2 comprend en outre une étape 2-3 dans laquelle une couche (24) de résine est déposée sur la couche métallique (10), principalement sur l’électrode inférieure (11) et sur une partie de la couche (21) ou des couches (21, 22) et structurée sur ladite couche métallique (10) et éventuellement sur une partie des couches (21, 22), ladite couche (24) de résine ayant des propriétés physiques et chimiques sensiblement différentes des autres couches (21, 22, 31), une bonne qualité d’adhérence sur la couche métallique (10) et éventuellement sur les couches (21, 22), une rigidité diélectrique supérieure à 500V/µm et une permittivité relative supérieure à 3.
- Méthode de fabrication selon la revendication 2 caractérisée en ce que l’épaisseur de la couche (24) de résine est plus faible que l’épaisseur de la couche (21) de résine et/ou de la couche (22) de résine, et en ce que l’épaisseur de ladite couche (24) de résine est d’au moins 4 µm, de préférence 7 µm.
- Méthode de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que, la couche (31) est une couche de résine ayant de bonnes propriétés d’adhérence et de collage avec lesdites couches (21, 22) de résine, ladite couche ayant une épaisseur au moins égale à 2 µm, de préférence 5 µm.
- Méthode de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que, l’étape 3 comprend en outre, avant le dépôt de la couche (31), une étape consistant en une oxydation thermique du wafer de silicium (30) conduisant à la formation sur ledit wafer silicium (30) d’une couche (32) d’oxyde de silicium, d’une épaisseur d’au moins 2 µm, protégeant ledit wafer silicium (30).
- Méthode de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que, la couche (21) de résine est structurée selon une périphérie légèrement inférieure à celle de l’électrode inférieure (11) et a une épaisseur de l’ordre de la moitié de la profondeur de la cavité, de préférence 10 µm à 50 µm.
- Méthode de fabrication selon l’une quelconque des revendications 2 à 6 caractérisée en ce que au moins une des couches (21, 22, 24, 31) est isolante.
- Méthode de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que, le dépôt de la couche (31) sur le wafer de silicium (30) est suivie d’une étape de recuit ne conduisant pas à une réticulation totale de ladite couche (31), et en ce que une réticulation de ladite couche (31) est finalisée par une insolation et un chauffage après collage l’ensemble constitué par le wafer support (1) et les couches (10, 21, 22).
- Méthode de fabrication selon l’une quelconque des revendications 2 à 8 caractérisée en ce qu’au moins une des couches (21, 22, 31) est en résine photosensible négative de type SU-8 et la couche (24) de résine est en résine photosensible positive de type AZ, notamment AZ9260.
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| FR1905715A FR3096829A1 (fr) | 2019-05-29 | 2019-05-29 | Méthode de fabrication d’un émetteur électroacoustique miniaturise |
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Family Applications (1)
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Citations (7)
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|---|---|---|---|---|
| WO2000005001A1 (fr) * | 1998-07-23 | 2000-02-03 | The Secretary Of State For Defence | Procede de fabrication d'un transducteur capacitif ultrasonore |
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2020
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2000005001A1 (fr) * | 1998-07-23 | 2000-02-03 | The Secretary Of State For Defence | Procede de fabrication d'un transducteur capacitif ultrasonore |
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