LU84413A1 - Transducteur de pression capacitif au silicium lie par voie electrostatique - Google Patents

Description

Transducteur de pression capacitif au silicium lié par voie électrostatique.

La présente invention concerne des transducteurs de pression capacitifs à cavité constitués de 5 deux organes en silicium réunis l'un à l’autre par un verre de borosilicate pulvérisé en adoptant une technique de liaison thermique assistée par un champ électrique .

Un transducteur de pression de type capacitif 10 réalisé pratiquement entièrement en silicium est décrit dans le brevet des Etats-Unis d’Amérique N° 3.634.727. Ce dispositif est constitué de deux disques en silicium creusés en leur centre et enduits d’une couche d’oxyde isolant, puis réunis l’un à l’au-15 tre, soit par métallisation des oxydes suivie d’un brasage, soit simplement au moyen d’un verre à basse température de fusion. Un dispositif de ce type a un diamètre de l’ordre de 25,4 mm (1 pouce) et, par inhérence, il présente un rapport relativement élevé entre 20 la capacitance parasite statique non désirée et la capacitance variable en fonction de la pression.

Tel qu’il est décrit dans le brevet précité, le procédé de liaison entre les deux disques de silicium est complexe et coûteux. En outre, le dispositif 25 décrit dans ce brevet nécessite le traitement de deux plaquettes pour réaliser un seul transducteur de pression capacitif. Evidemment, l’utilisation de transducteurs de pression au silicium d’un faible coût implique l’obligation d’adopter des techniques de fabri-30 cation en série pour leur réalisation. Par exemple, le traitement de deux plaquettes de plus grandes dimensions pour fabriquer un nombre important de condensateurs plus petits (de l’ordre d’un demi-centimètre dans la plus grande dimension) permettrait de réduire 35 sensiblement le coût. Toutefois, l’obtention d'un joint ! 2 étanche intégral entre les deux parties de chacun des transducteurs formés sur une plaquette doit être garantie de manière impérative.

Un meilleur procédé pour la formation de 5 joints étanches silicium-sur-silicium consiste à utiliser un verre de borosilicate pulvérisé. Les parties de silicium ainsi revêtues de verre sont attirées l'une vers l'autre par un champ de courant continu créé dans un vide, à une température de l'ordre de 10 500°C. Ce procédé est décrit dans un exposé technique de la "NASA" B74-10263, janvier 1975, intitulé "Low Température Electrostatic Silicon-To-Silicon Seals Using Sputtered Borosilicate Glass".

L'avantage qu'offre l'utilisation du silicium 15 comme matière support pour les transducteurs de pression capacitifs à cavité, réside dans le fait qu'elle permet d'établir un raccordement électrique extérieur avec des plaques de condensateurs intérieures, sans exiger une structure mécanique complexe. Compte tenu 20 de la technologie bien connue des microcircuits pour le traitement du silicium, ainsi que de la technique de liaison assistée par un champ électrique dont il est fait mention dans l'exposé technique précité de la "NASA", l'opportunité de la fabrication en série de 25 transducteurs de pression capacitifs sensibles extrêmement petits d'une manière hautement reproductible devient évidente. Toutefois, lorsqu'il s'agit de transducteurs capacitifs mesurant environ un demi-centimètre dans leurs plus grandes dimensions, la capacitance est 30 très faible, à moins que les deux plaques capacitives soient extrêmement proches l'une de l'autre. On a constaté que la proximité des deux plaques capacitives contrariait l'utilisation d'une liaison assistée par un champ électrique lors de la fabrication de transduc-35 teurs de pression capacitifs au silicium extrêmement 3 petits.

La présente invention a notamment pour objet d'apporter des perfectionnements à des transducteurs de pression capacitifs au silicium extrêmement petits, 5 ainsi qu'aux procédés de fabrication de ces transducteurs à l'échelle industrielle, en utilisant la technologie connue des microcircuits et des couches minces.

La présente invention est basée sur la découverte faite par la Demanderesse et selon laquelle les 10 imperfections superficielles présentes dans une ou dans les deux pièces de silicium à assembler moyennant une liaison assistée par un champ électrique établissent des concentrations de champ qui favorisent un amorçage d'arc, lequel donne lieu à un court-circuitage du champ 15 et, partant, à un scellage non uniforme des deux pièces de silicium à la couche de borosilicate située entre elles.

Suivant la présente invention, on prévoit des transducteurs de pression capacitifs comprenant une 20 cavité définie par deux éléments en silicium dopé réunis l'un à l'autre par un verre de borosilicate moyennant un procédé de liaison assistéepar un champ électrique, un revêtement de verre de borosilicate étant appliqué pratiquement sur toute la surface de la pla-25 que capacitive d'au moins une de ces pièces de silicium. Suivant un aspect de l'invention, un transducteur de pression au silicium-verre de borosilicate-silicium comprend du verre de borosilicate à l'intérieur de la cavité sensible à la pression afin d'obtenir un 30 meilleur diélectrique entre les plaques du condensateur. Suivant un autre aspect de la présente invention, le procédé de formation d'un transducteur de pression au silicium en utilisant deux pièces de silicium réunies l'une à l'autre par un verre de borosilicate 35 moyennant une liaison assistée par un champ électrique, 4 comprend l'étape qui consiste à assurer une isolation diélectrique entre les deux pièces de silicium à l'aide d'un verre de borosilicate, évitant ainsi un court-circuitage du champ au cours du processus de 5 liaison.

L'invention permet de formuler des transducteurs de pression capacitifs silicium-silicium avec un très faible écartement entre les plaques de condensateurs obtenues et ce, sans rencontrer les difficultés 10 que présente une liaison assistée par un champ électrique au cours du procédé de fabrication de ces transducteurs.

Bien que le mécanisme principal avantageux de l'invention ne soit pas actuellement parfaitement com-15 pris, on pense qu'il réside dans la meilleure propriété diélectrique du verre de borosilicate (environ 4,2), comparativement à celle du vide (environ 1,0) qui existe entre les deux pièces de silicium. De plus, il semble possible que la haute constante diélectrique du 20 verre de borosilicate appliqué sur la surface de silicium, par exemple, au cours de la dernière étape précédant la liaison assistée par un champ électrique, ait tendance à disperser quelque peu le champ à des surfaces saillantes, réduisant ainsi la concentration du 25 champ en des points saillants localisés.

A la lumière des enseignements qui vont suivre, l'invention peut être mise en oeuvre en adoptant les techniques de traitement de microcircuits et de couches minces qui rentrent parfaitement dans les compétences 30 de l'homme de métier. Les objets, caractéristiques et avantages précités de la présente invention, ainsi que d'autres apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-après de formes de réalisation données à titre d'exemple, en se référant aux des-35 sins annexés dans lesquels : 5 les figures 1-3 sont des coupes simplifiées en élévation latérale illustrant des exemples de transducteurs de pression capacitifs au silicium-verre-silicium formés par le procédé de la présente 5 invention conformément aux principes de cette dernière ; et les figures 4-8 sont des vues en coupe et en élévation latérale de plaquettes de silicium devant être traitées au cours de la fabrication du transduc-10 teur de pression illustré à titre d'exemple en figure 1.

En se référant à présent à la figure 1, un transducteur de pression capacitif au silicium-verre-silicium 10 est constitué d'un substrat en silicium 11 dans lequel est formé un socle circulaire 12, ce sub-15 strat 11 comportant une surface inférieure métallique 13 qui peut être constituée de couches minces de nickel et d'or (ainsi qu'on le décrira ci-après plus en détail en se référant aux figures 4-8) permettant une liaison métallique avec les conducteurs électriques 20 qui y sont raccordés. La surface supérieure du socle 12 constitue une plaque d'un condensateur, l'autre plaque de ce dernier étant constituée de la surface inférieure d'une pièce en silicium 14. La surface supérieure de cette pièce en silicium 14 comporte des cou-25 ches métalliques 15 semblables aux couches 13. Les deux pièces en silicium 11, 14 sont assemblées à l'écart l'une de l'autre par du verre de borosilicate 16 qui est déposé et soumis à une morsure par étapes (comme décrit ci-après), de façon à définir l'écarte-30 ment désiré entre les surfaces de plaques capacitives formées par les parties 12 et 14, tout en formant un diélectrique 17 en travers du socle 12, évitant ainsi un amorçage d'arc entre celui-ci et la pièce 14 au cours de la liaison assistée par un champ électrique. Lors 35 de la fabrication du transducteur 10, l'ensemble du 6 traitement topologique est effectué sur une plaquette comprenant la pièce 12, tandis qu'une plaquette comprenant la pièce 14 est pourvue uniquement d'un revêtement métallique 15. En outre, la formation de la cou-5 ehe de verre de borosilicate 16, 17 sur l'ensemble de la pièce en silicium 11, y compris le socle 12, est obtenue au cours du traitement topologique de la plaquette comprenant la pièce en silicium 11. Les revêtements métalliques 13, 15 peuvent être déposés après 10 l'assemblage des deux plaquettes moyennant une liaison assistée par un champ, en recourant à une pulvérisation haute fréquence ou à une évaporation résistive ou par faisceau électronique conformément à des techniques bien connues.

En se référant à présent à la figure 2, un 15 transducteur de pression quelque peu différent 18 est constitué d'une pièce de silicium lia dans laquelle un creux annulaire 20 est pratiqué par morsure de façon à définir un socle circulaire 12a sur lequel est déposé un revêtement de verre de borosilicate 16a qui 20 définit la séparation entre des plaques de condensateur . Un revêtement supplémentaire de verre de borosilicate 16b définit l'écartement entre les pièces en silicium lia et 14a, ce revêtement étant soumis à une morsure pour y définir un trou 22 à travers lequel une 25 couche mince de métal 24 peut établir un contact avec le socle 12a. La couche de verre de borosilicate 16c peut être pulvérisée sur le silicium ou sur le métal afin d'éviter un amorçage d'arc au cours de la liaison assistée par un champ électrique suivant l'invention.

30 Conjointement avec le creux 20 formé par morsure dans la pièce de silicium lia, l'utilisation du revêtement de verre de borosilicate 16a, 16b apporte une amêlioraticnau contrôle dimensionnel comme décrit et revendiqué dans une demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique dépo-35 sée le même jour que la présente aux noms de Swindal 7 et Grantham et ayant pour titre "SILICON-GLASS-SILICON CAPACITIVE PRESSURE TRANSDUCER".

La figure 3 illustre une autre forme de réalisation de la présente invention telle qu'elle est ap-5 pliquée à un transducteur 26 du type décrit dans la demande de brevet précitée des Etats-Unis d'Amérique.

Dans cette forme de réalisation, deux plaquettes reçoivent un traitement topologique, une première plaquette 11b comportant un creux 20a formé par morsure pour dé-10 finir un socle circulaire 12b d'une manière analogue à celle décrite à propos de la pièce de silicium lia. D'autre part, sur une autre plaquette comprenant la pièce de silicium 14b, sont appliqués un revêtement de verre de borosilicate pulvérisé 16d façonné pour assu-15 rer le contrôle dimensionnel comme décrit dans la demande de brevet précitée, une couche mince de métal 24a destinée à former une plaque capacitive raccordée électriquement à la pièce de silicium 14b, ainsi qu'un revêtement de verre de borosilicate pulvérisé 16e consti-20 tuant l'isolation diélectrique conformément à la présente invention. La formation du transducteur de pression 26 diffère de celle des transducteurs de pression 10 et 18, étant donné qu'elle nécessite un traitement topologique de deux plaquettes et une mise en 25 coïncidence de ces dernières avant leur assemblage par liaison assistée par un champ électrique. D'autre part, la formation du transducteur de pression 26 est semblable à celle du transducteur de pression 10 du fait que le verre de borosilicate est appliqué intégralement 30 sur la même plaquette.

Les transducteurs 18, 26 peuvent comporter un revêtement métallique sur leurs surfaces extérieures opposées afin de permettre une liaison métallique avec les connexions électriques qui y sont raccordées, les-35 quelles ne sont toutefois pas représentées pour la sim- 8 plicité de l’illustration.

Un procédé de formation d'un transducteur capacitif suivant l'invention est illustré dans les figures 4-8. En figure 4, on représente une plaquet-5 te 11 en silicium de type N ou de type P qui est dopé à un niveau d'au moins 10^ impuretés par cm3 avec du phosphore, de l'arsenic ou analogues, cette plaquette pouvant avoir une résistivité d'environ 1/3 ohm-cm et une épaisseur de l'ordre de 300-400 microns. En adop-10 tant des techniques bien connues de masquage, de réserve photographique et de morsure, la plaquette 11 est attaquée pour créer plusieurs socles 12 (unpour chaque dispositif à réaliser dans la plaquette) ayant une hauteur de l'ordre de 6 microns. Le diamètre de cha-15 que socle 12 peut être de l'ordre d'un demi-centimètre. Les socles 12 peuvent être espacés d'une distance d'environ 1/3 cm.

Au cours de l'étape suivante illustrée en figure 5, une couche de verre de borosilicate 29 est pul-20 vêrisée sur la plaquette 11 jusqu'à une profondeur de l'ordre de 8 ou 9 microns. Ensuite, au cours de l'étape suivante illustrée en figure 6, le verre de borosilicate 29 est soumis à une morsure, de façon à conserver une structure réticulaire 16 définissant des 25 creux 30 qui entourent chacun des socles 12 de la plaquette 11. Le traitement de morsure illustré en figure 6 est réalisé aisément du fait que le silicium fait office d'arrêt de morsure pour les mordants du verre de borosilicate (par exemple, l'acide 30 fluorhydrique).

Au cours de l'étape illustrée en figure 7, une couche supplémentaire de verre de borosilicate 32 est pulvérisée sur la surface de la plaquette 11 et de la matrice de verre de borosilicate 16 conformément à 35 la présente invention, afin de former un diélectrique « 9 17 sur les socles 12. Etant donné que le contrôle dimensionnel est assuré par la pulvérisation de la couche 29 (figure 5) avec morsure jusqu’au silicium (figure 6), une couche 32 peut être pulvérisée simple-5 ment à la dimension souhaitée de l'ordre de 1/2 micron, sans aucune morsure supplémentaire.

La figure 8 illustre les étapes restantes du procédé de formation du transducteur de pression capacitif 10. Moyennant un rodage approprié à une épais-10 seur désirée, par exemple, de l’ordre de 200 microns, on peut préparer une deuxième plaquette 14, de façon à former un diaphragme flexible. La plaquette 14 est ensuite amenée à proximité de la plaquette il (seul un alignement approximatif étant requis), après quoi les 15 deux plaquettes peuvent être chauffées à une température de l'ordre de 500°C dans une chambre à vide dans laquelle est créée une dépression d’environ IO-6 Torr, tandis qu'une tension de courant continu de l'ordre de 75-125 volts est appliquée entre la plaquette 14 (+) 20 et la plaquette 11 (-) pendant une période d'environ 5-10 minutes. De façon connue, le champ électrostatique créé a pour effet d'attirer les deux plaquettes l'une vers l'autre à mesure que la chaleur assure l'étanchéité des chambre à vide formées autour de cha-25 que socle 12. Des couches métalliques 13, 15 peuvent être déposées sur les plaquettes 11, 14. Par exemple, en raison de son affinité vis-à-vis du silicium, on peut déposer une première couche de nickel 13a, 15a d'une épaisseur de l'ordre de 500 angströms, suivie 30 d'une deuxième couche d'or 13b, 15b d'une épaisseur d'environ 5.000 angströms, de façon à obtenir une surface appropriée pour la liaison métallique des conducteurs électriques de raccordement. Ensuite, les plaquettes liées 11, 14 peuvent être découpées (par exem-35 pie, par sciage) comme indiqué par les lignes en traits 10 discontinus 38, de façon à former des transducteurs de pression individuels 10 du type illustre en figure 1. Si les couches de métallisation sont constituées d'Al, de Cr ou de Ni seul, elles pourraient 5 être déposées avant l'étape de liaison. Toutefois, la liaison est obtenue à une température supérieure à la température eutectique de l'or-silicium (le nickel n'isolant pas ces derniers), si bien que l'or doit être déposé après la liaison.

10 On a constaté qu'un transducteur capacitif 10 constitué de silicium monocristallin de type N, dopé avec environ 10 atomes de phosphore par cm3, ayant pratiquement les dimensions décrites ci-dessus, avait une capacitance variant entre une valeur nomi-15 nale à une pression statique absolue de 0 kg/cm2 et une valeur environ 8¾ supérieure à la capacitance nominale à une pression absolue d'environ 1,05 kg/cm2 (15 psia) (pression statique nulle). Evidemment, les deux plaquettes 11, 14 ne doivent pas nécessaire-20 ment avoir le même type de conductivité, ni contenir le même dopant, étant donné qu'il n'y a aucune interaction moléculaire entre elles. Un type de verre de borosilicate qui s'est avéré utile dans la fabrication des transducteurs capacitifs décrits ci-dessus est 25 commercialisé sous la désignation "Corning 7070".

Toutefois, d'autres verres peuvent s'avérer utiles, certains exemples de ces verres étant décrits par Guckel et al. dans "Electromechanical Devices Utili-zing Thin Si Diaphragms", "Applied Physics Letters", 30 volume 31, N° 9, 1 novembre 1977.

Dans certaines applications de la présente invention, il peut s'avérer souhaitable que le verre de borosilicate recouvre moins d'une surface complète de la cavité sous vide. Dans ce cas, on pourrait prévoir 35 une étape de morsure supplémentaire (succédant à l'éta- 11 11 pe de dépôt de la figure 7) afin d'éliminer le verre de borosilicate se trouvant dans les creux 30 (figure 6) ou le verre de borosilicate qui ne recouvre pas la couche métallique 24a dans la forme de réalisation 5 de la figure 3. Cette remarque est particulièrement vraie lorsque le verre de borosilicate est appliqué sur la pièce de silicium formant la "charnière" relativement mobile d'un dispositif (par exemple, à l'intérieur du creux 20 dans la forme de réalisation de 10 la figure 2 et lorsqu'on envisage une modification dans laquelle le verre de borosilicate est appliqué à la plaquette 11 soumise à un traitement topologique).

En tout cas, suivant l'invention, le verre de borosilicate est appliqué entre les parties actives des 15 deux plaques capacitives, étant donné que c'est-à cet endroit que le vide diélectrique a la plus petite dimension et que le risque d'amorçage d'arc est le plus grand au cours du procédé de liaison assistée par un champ électrique. Comme on peut le constater en com-20 parant les formes de réalisation des figures 1-3, qu'une ou les deux plaques capacitives soient en fait réalisées en métal ou non, importe peu pour l'utilisation de la présente invention, étant donné que le verre de borosilicate peut être déposé sur une plaque métal-25 lique en offrant le même avantage que lorsqu'il est appliqué sur une des plaques en silicium. Il est évident que le verre de borosilicate pourrait être appliqué sur les deux plaques du condensateur, dans tous les cas où il s'avère nécessaire ou souhaitable de pro-30 céder de la sorte et ce, sans se départir de l'invention.

De la même manière, bien que l'invention ait été illustrée et décrite en se référant à des formes de réalisation données à titre d'exemple, l'homme de 35 métier comprendra que les modifications, additions ou i t 12 omissions précitées, ainsi que d'autres peuvent être envisagées sans se départir de l’esprit et du cadre de l'invention.

Claims (2)

1. Procédé de formation d’un capteur de pression capacitif moyennant une liaison, assistée par un champ électrique, de deux pièces de silicium séparées par un verre de borosilicate, afin de définir une cham-5 bre étanche à la pression comprenant deux surfaces étroitement espacées qui forment les plaques respectives d’un condensateur variable en fonction de la pression, caractérisé en ce qu'il comprend le perfectionnement consistant à déposer une couche mince de verre 10 de borosilicate sur une de ces plaques avant l’application du champ électrostatique, de façon à éviter un amorçage d’arc entre les plaques et le court-circuitage résultant du champ électrostatique au cours du pro-* cédé de liaison.

2. Transducteur de pression capacitif au sili cium-verre-silicium comprenant deux pièces de silicium dont au moins une est façonnée de façon à définir une surface conductive distincte sur une des pièces de silicium à proximité d'une surface conductive disposée sur 20 l'autre pièce, définissant ainsi deux surfaces conduc-tives étroitement espacées formant les plaques d'un condensateur variable en fonction de la pression, caractérisé par le perfectionnement selon lequel une couche mince de verre de borosilicate est appliquée sur 25 une des surfaces précitées.