WO2017174709A1 - Procede de fabrication d'une structure micromecanique en carbure de silicium comportant au moins une cavite - Google Patents

Procede de fabrication d'une structure micromecanique en carbure de silicium comportant au moins une cavite Download PDF

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WO2017174709A1
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layer
silicon
silicon carbide
discrete
sensor
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PCT/EP2017/058222
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Daniel Alquier
Rami KHAZAKA
Jean François Michaud
Marc PORTAIL
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Centre National De La Recherche Scientifique Cnrs
Université François Rabelais
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    • B81C2201/0116—Thermal treatment for structural rearrangement of substrate atoms, e.g. for making buried cavities

Definitions

  • the technical field of the invention is that of micro-fabrication.
  • the present invention relates to a method of manufacturing a micromechanical structure of silicon carbide having at least one cavity.
  • Micromechanical structures, and in particular electromechanical microsystems, are used in many technical fields and in particular in the manufacture of sensors. These sensors are sometimes used in hostile environments, that is, environments with high temperatures or pressures, or extreme chemical conditions. For such applications, it is known to use electromechanical microsystems made of a resistant material such as silicon carbide (SiC). This material has indeed many advantages, including its high mechanical strength and inertia vis-à-vis most chemical agents.
  • SiC silicon carbide
  • EP21 68910B1 proposes a method in which a sacrificial silicon germanium (SiGe) structure is deposited and structured on a surface of silicon carbide. This sacrificial structure is then covered by a layer of silicon carbide. An opening is then formed on the surface of the silicon carbide layer, this opening opening on the sacrificial structure of silicon germanium. Wet etching is then performed, the etching agent penetrating through the opening in the silicon carbide layer and attacking the sacrificial structure. Once the silicon germanium structure has been fully etched, the opening in the silicon carbide layer is closed to obtain a cavity.
  • SiGe silicon germanium
  • the invention offers a solution to the problems mentioned above, by making it possible to eliminate the discrete silicon structure by means of a carburation step, a deposition step and an annealing step. It is thus possible to overcome the etching step. The disadvantages concerning the opening formed in the silicon carbide layer and the bonding phenomenon associated with it are thus avoided.
  • a first aspect of the invention relates to a method of manufacturing a micromechanical structure of silicon carbide having a cavity, from a stack comprising a first layer of silicon carbide and a silicon layer on the first silicon carbide layer, said method comprising a step of shaping the silicon layer so as to form a discrete structure of silicon on the first layer of silicon carbide.
  • the method according to the invention also comprises:
  • carburizing step is understood to mean an annealing step in an atmosphere containing a precursor of carbon, for example propane, but devoid of silicon, leading to the growth of a layer of silicon carbide at the level of the surface of the discrete structure of silicon. .
  • This step will create empty spaces in sacrificial silicon structures. These empty spaces will be called voids in the rest of the text.
  • voids in the rest of the text.
  • a single discrete structure of silicon is formed.
  • the expression "a discrete structure” should therefore be understood as “at least one discrete structure” and the expression “a cavity” should therefore be understood as "at least one cavity”.
  • the shaping step of the silicon layer makes it possible to determine the geometry of the cavity and to control the size of the latter in all three dimensions.
  • the method according to the invention makes it possible to control this phenomenon in order to to obtain a hermetically sealed cavity having dimensions perfectly controlled and independent of the crystalline orientation of the silicon layer. More particularly, once the discrete structure of silicon formed on the surface of the first layer of silicon carbide, the formation of the cavity is ensured by the last three steps of the process.
  • the carburizing step initiates the formation of voids and a silicon carbide layer on the surface of the discrete silicon structure.
  • the size of the voids is less than one hundred nanometers.
  • the deposition step of a second layer of silicon carbide is then performed. This step will fill part of the openings created during the carburation stage. This step is performed so that, at the end of the deposition, openings allowing diffusion of the silicon atoms on the surface of the layer of silicon carbide are always present in the silicon carbide layer.
  • the annealing step makes it possible to consume the carbon precursor and the remaining silicon so as to form a micromechanical structure of silicon carbide having a sealed cavity.
  • the method of manufacturing a micromechanical silicon carbide structure comprising a cavity may have one or more additional characteristics among the following, considered individually. or in any technically possible combination.
  • the shaping step of the silicon layer is directly followed by a second annealing step.
  • This second annealing step makes it possible to improve the surface state of the discrete silicon structure before the carburizing step and thus to control the crystalline orientation of the silicon carbide membrane.
  • it makes it possible to obtain a silicon carbide layer whose crystalline orientation is of (1 1 1) type.
  • This crystalline orientation makes it possible to obtain a low roughness compared to a membrane whose crystalline orientation is of (1 10) type.
  • a thermal transition step is performed between the carburizing step and the step of depositing the second layer of silicon carbide.
  • the temperature changes from a first temperature equal to the temperature of the carburizing step to a second temperature equal to the temperature of the deposition step of the second layer of silicon carbide.
  • the voids formed during the carburizing step will grow to reach a size of the order of a few hundred nanometers or even of the order of a few microns.
  • a waiting step is performed between the thermal transition step and the deposition step of the second silicon carbide layer. This waiting time allows to modulate the size of the voids according to the size of the desired cavity.
  • the temperature during the annealing step is between 1100 ° C. and 1400 ° C.
  • This temperature window ensures a good compromise between the speed of growth of the voids and the silicon carbide layer and the quality of the silicon carbide obtained during this annealing step.
  • the duration of the annealing step is chosen as a function of the width, the length and / or the thickness of the discrete silicon structure.
  • the silicon structure is completely consumed at the end of the annealing step to form the micromechanical structure of silicon carbide having a cavity.
  • the carburizing step is carried out in an atmosphere comprising a hydrocarbon gas.
  • propane is chosen as carbon precursor gas and hydrogen is chosen as the carrier gas.
  • the stack comprises a substrate and the method according to the invention comprises, before the step of shaping the silicon layer:
  • the substrate forming the first layer of the stack is chosen so as to allow crystal growth of 3C-SiC.
  • This substrate may be a substrate of silicon (Si), sapphire (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN).
  • the first silicon carbide layer and / or the second silicon carbide layer have a 3C-SiC crystal structure.
  • the first silicon carbide layer has a crystalline orientation of (001) type and / or the second silicon carbide layer has a crystalline orientation of (1 1 1) type.
  • the shaping step is performed so as to form in the silicon layer a plurality of connecting elements, each connecting element of the plurality of connecting elements joining at least a first discrete structure of the plurality from discrete structures to a second discrete structure of the plurality of discrete structures.
  • the width of said link member is less than the width of the discrete structures among the plurality of discrete structures that said link member joins.
  • width of a discrete structure is meant the edge of smaller dimension of a section of said discrete structure obtained in a plane parallel to the surface of the first layer of silicon carbide and passing through said discrete structure.
  • width of a connecting element is understood to mean the edge of smaller dimension of a section of said connecting element obtained in a plane parallel to the surface of the first layer of silicon carbide and passing through said connecting element.
  • a second aspect of the invention relates to a sensor of the electromechanical microsystem type comprising a micromechanical structure of silicon carbide having a cavity sealed by a silicon carbide membrane, obtained by a method according to a first aspect of the invention.
  • the senor is a piezoresistive or capacitive type pressure sensor.
  • the senor is a chemical sensor comprising at least one layer sensitive to a chemical compound to be detected, said sensitive layer being deposited on said membrane.
  • a third aspect of the invention relates to the use of a sensor according to a second aspect of the invention in or on an organic tissue.
  • a third aspect of the invention relates to the use of a sensor according to a second aspect of the invention in a radiative environment.
  • FIGS. 2A to 2F a diagram of the different steps of the method according to a second embodiment
  • FIG. 3 is a flow diagram of the method according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 4 a flowchart of the method according to a fourth embodiment of the invention.
  • FIGS. 7A and 7B an illustration of the structure obtained at the end of the shaping step of the silicon layer according to one embodiment of the invention
  • An aspect of the invention illustrated in FIG. 1 and in FIGS. 2A to 2F concerns a method of manufacturing a micromechanical structure of silicon carbide having a cavity 5, starting from a stack comprising a first layer of silicon carbide 2 and a silicon layer 3 on the first silicon carbide layer 2, said method comprising a step 102 for shaping the silicon layer 3 (FIG. 2C) so as to form a discrete 3 'structure of silicon on the first layer of silicon carbide 2.
  • the method furthermore comprises:
  • a carburation step 103 initiating the elimination of the discrete 3 'silicon structure
  • carburetion is understood to mean an annealing step in an atmosphere containing a carbon precursor, for example propane, but devoid of silicon, leading to the growth of a layer of silicon carbide at the level of the surface of the discrete structure of silicon and the formation of voids in these same structures.
  • a carbon precursor for example propane, but devoid of silicon
  • the growth of the silicon carbide during the carburizing step 103, the step 104 of deposition of a second layer of silicon carbide 4 and during the annealing step 105 causes the formation of a layer of carbide of silicon on the surface of the discrete structure (FIG. 2D) as well as a migration of the silicon atoms SI (illustrated by dashed arrows in FIG. 2E) of the discrete structure 3 'of silicon towards the growth zones, that is to say towards the surface of the discrete structure 3 'of silicon.
  • This diffusion has two consequences: it feeds the growth of the silicon carbide layer 4 into silicon atoms at the surface of the discrete structure 3 'and it causes the formation of a cavity 5 (illustrated by continuous arrows at Figure 2E) in these same structures 3 '.
  • a micromechanical structure of silicon carbide having a cavity 5 is thus obtained without resorting to an etching agent.
  • no etching agent is used, it is no longer necessary to provide an opening in the silicon carbide layer 4 and thus a hermetically sealed cavity can be obtained.
  • step 103 of carburation makes it possible to initiate the formation of the voids.
  • the size of the voids is generally less than one hundred nanometers.
  • the step 104 of deposition of a second layer of silicon carbide 4 is then performed. This step will make it possible to fill part of the openings created during the carburizing step 103. The latter is made so that, at the end of the step 104 of deposition of the second layer of silicon carbide 4, openings for the diffusion of the silicon atoms on the surface of the silicon carbide layer 4 are always present during the first two stages, the 3C-SiC layer continues to form and thicken.
  • the annealing step 104 makes it possible to consume the precursor of the remaining carbon and silicon so as to form a micromechanical structure of silicon carbide having a sealed cavity 5.
  • a micromechanical structure of silicon carbide having a cavity 5 is formed by the consumption of the silicon atoms of the discrete structure 3 ', this consumption resulting in the formation of the silicon carbide layer 4 forming a silicon carbide membrane .
  • the cavity 5 is thus self-sealed and the pressure within this cavity 5 is identical to the pressure used during the annealing step 105.
  • the silicon carbide component of the second layer of silicon carbide 4 has a crystal structure of the 3C-SiC type.
  • the stack further comprises a substrate 1.
  • the method then comprises, before step 102 of shaping the silicon layer 3:
  • a deposition step 100 (FIG. 2A) of a first layer of silicon carbide 2 on the substrate 1;
  • a deposition step 101 (FIG. 2B) of a silicon layer 3 on the first layer of silicon carbide 2.
  • Step 100 of deposition of a first layer of silicon carbide 2 and step 101 of deposition of a silicon layer 3 make it possible to obtain the stack comprising a first layer of silicon carbide 2 and a layer of silicon 3 on the first layer of silicon carbide 2.
  • the substrate 1 of the stack is chosen so as to allow the growth of silicon carbide. It may be selected from a substrate of silicon (Si), sapphire (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN). Indeed, these substrates make it possible to grow, during step 100 of deposition of the first layer of silicon carbide 2, a monocrystalline silicon carbide layer and thus improves the mechanical and electrical characteristics of the micromechanical structure obtained.
  • the first silicon carbide layer 2 is of the 3C-SiC type.
  • the crystalline orientation of the first silicon carbide layer 2 is of the (001) type.
  • the deposition step 100 of the first silicon carbide layer 2 on the substrate 1 may be preceded by a step of removing the native oxide present on the surface of said substrate 1.
  • this step of removing the native oxide may take the form of a homoepitaxy of a thin silicon layer on the silicon substrate 1 or an annealing under hydrogen atmosphere. If the substrate 1 is a nitride, this step of removing the native oxide may take the form of annealing in a nitrogen atmosphere.
  • the deposition step 100 of the first silicon carbide layer 2 may be carried out by an epitaxial process, for example by means of a chemical vapor deposition technique (CVD for "Chemical Vapor Deposition” in English).
  • CVD chemical vapor deposition
  • the thickness of the first silicon carbide layer 2 is between 100 nm and 20 ⁇ m, preferably equal to 5 ⁇ m.
  • the shaping step 102 (FIG. 2C) of the silicon layer 3 may be carried out using a conventional lithography technique.
  • the etching of the silicon layer may be carried out using inductively coupled plasma (ICP) etching in an atmosphere containing sulfur hexafluoride (SF). 6 ), ethylene (C 2 H 4 ) and argon (Ar).
  • ICP inductively coupled plasma
  • SF sulfur hexafluoride
  • ethylene C 2 H 4
  • Ar argon
  • the removal of the resin layer after etching can be performed by an oxygen plasma step. This oxygen plasma cleaning step may optionally be followed by a cleaning step using a piranha solution.
  • step 102 of shaping (FIG. 2C) of the silicon layer 3 is followed by a second annealing step 106.
  • the temperature may be between 800 ° C. and 1000 ° C.
  • the pressure during this annealing step 106 may be chosen less than 1 bar.
  • the duration of this annealing step 106 may be substantially equal to 10 minutes or even 20 minutes. It makes it possible to obtain a better surface state before the carburizing step 103 and thus to control the crystalline orientation of the second layer of silicon carbide 4.
  • the second layer of silicon carbide 4a a crystalline orientation of the type (1 1 1).
  • the temperature during the carburizing step 103 is between 860 ° C and 1300 ° C, preferably between 860 ° C and 1150 ° C.
  • the temperature is modified so as to go from a minimum temperature of 860 ° C. to a maximum temperature of 1150 ° C.
  • the temperature is varied so as to go from a minimum temperature of 860 ° C to a maximum temperature of 1100 ° C.
  • the carburation step 103 is carried out under an atmosphere comprising a precursor of carbon, for example propane, and hydrogen.
  • a thermal transition step 107 is performed between the carburizing step 103 and the step 104 of deposition of the second layer of carbide of silicon 4.
  • the temperature is changed from a first value equal to the temperature of the carburation step 103 to a second value equal to the temperature of the deposition step 104.
  • the voids formed during the carburation step 103 will grow to a size of the order of a few hundred nanometers or even of the order of a micrometer .
  • a carburation step 103 carried out at 1150 ° C. and a step
  • the size of the voids is between 500nm and 1 ⁇ .
  • This thermal transition step 107 can be carried out under an atmosphere comprising hydrogen.
  • a waiting step 108 is performed between the thermal transition step 107 and the deposition step 104 of the second silicon carbide layer 4.
  • This step 108 of waiting allows the voids to be grown before step 104 for depositing the second layer of silicon carbide 4.
  • the size of the voids at the end of step 108 of waiting depends on the duration of this step 108 waiting . For example, for a thickness of the discrete silicon structure 3 'of 300 nm, a carburation step 103 carried out at 1150.degree. C. and a step 104 for depositing the second layer of silicon carbide 4 at 1320.degree. size of the voids obtained at the end of a step 108 waiting 5 minutes is between 1 .5 ⁇ and 2.5 ⁇ .
  • the size of the voids obtained at the end of a step 108 waiting 10 minutes is between 3.5 ⁇ and 5 ⁇ .
  • the size of the voids is also dependent on the thickness of the discrete structure 3 '.
  • a carburation step 103 carried out at 1150.degree. C. and a step 104 for depositing the second layer of silicon carbide 4 at 1320.degree. voids obtained at the end of a waiting step 108 of 5 minutes is at least equal to 5 ⁇ .
  • the size of the voids obtained at the end of a step 108 waiting 5 minutes is equal to 900 nm.
  • the size of the voids obtained at the end of a waiting step 108 of 5 minutes is equal to 400 nm.
  • the temperature during the step 104 of deposition of the second layer of silicon carbide 4 is between 1100 ° C and 1400 ° C.
  • This deposition step 104 can be carried out by epitaxy using a precursor of silicon, for example silane (SiH 4 ) and a precursor of carbon, for example propane (C 3 H 8 ).
  • This deposition can be carried out by a technique of chemical vapor deposition (CVD for "Chemical Vapor Deposition" in English).
  • the duration of this step can be between 30 seconds and 10 minutes, preferably between 1 minute and 3 minutes.
  • the temperature during the annealing step 105 is equal to the temperature during the deposition step 104 of the second silicon carbide layer 4, that is to say between 1 100 C. and 1400 ° C.
  • the duration of annealing step 105 is a function of the size of the discrete structure of silicon 3 '. For example, if the discrete structure 3 'has a thickness of 200nm, a width of 20 ⁇ and a length of 20 ⁇ , then the annealing step 105 has a duration substantially equal (at plus or minus 20%) to 30 minutes. In an embodiment illustrated in FIG.
  • the shaping step 102 is made so as to form in the silicon layer 3 a plurality of connecting elements, each connecting element 3bis of the plurality of elements connecting link joining at least a first discrete structure 3 'of the plurality of discrete structures to a second discrete structure 3' of the plurality of discrete structures.
  • the width of said connecting element 3bis is smaller than the width of the discrete structures 3 'among the plurality of discrete structures that said connecting element 3bis joins.
  • Each connecting element also has a length equal to the distance separating the discrete structures 3 'from among the plurality of discrete structures that said connecting element 3bis joins.
  • the discrete structures 3 ' are distributed on the surface of the first layer of silicon carbide 2 in the form of a matrix of discrete structures 3', the said discrete structures forming a plurality of lines L and a plurality of columns C, each comprising a plurality of discrete structures 3 '.
  • each discrete structure 3 'of the same column C is joined by means of a connecting element 3bis to the discrete structure 3' which precedes it in column C so as to obtain a continuous structure formed by an alternation of discrete structures 3 'and connecting elements 3bis.
  • the discrete structures have a square shape with a width of 25 ⁇ and the connecting elements have a width of 5 ⁇ and a length of 10 ⁇ .
  • two discrete structures 3 'consecutive joined by a connecting element 3bis are spaced apart by a distance of 10 ⁇ .
  • the discrete silicon structures 3 'and the connecting elements 3a being made in the same silicon layer 3, they therefore have an identical thickness equal to the thickness of said silicon layer 3.
  • This thickness may for example be equal to 200 nm .
  • the steps performed on the discrete silicon 3 'structures, in particular the carburation step 103, the silicon carbide deposition step 104 and the annealing step 105, are also implemented on the connecting elements 3bis.
  • a cavity 5 is thus obtained in a silicon carbide structure comprising zones having a width of 25 ⁇ corresponding to the discrete silicon structures 3 'suppressed and zones having a width of 5 ⁇ and a length of 10 ⁇ corresponding to the elements of FIG. link 3bis deleted by the method object of the invention.
  • the connecting elements 3a being made in the same silicon layer 3 as the discrete silicon structures 3 ', they are therefore eliminated concomitantly with the discrete silicon structures.
  • a particularly advantageous application of these micromechanical structures relates to the production of sensors, in particular sensors used in a severe environment, involving extreme pressure and / or temperature conditions, as well as in demanding chemical environments.
  • sensors in particular MEMS sensors or electromechanical microsystems, advantageously benefit from the mechanical and electrical properties of SiC, in particular its properties of thermal conductivity, mechanical strength as well as its stability towards most chemical compounds, even at high temperatures. exceeding 300 ° C make the SiC particularly suitable for this type of application.
  • MEMS sensors are, for example, capacitive type pressure sensors. In an embodiment illustrated in FIG.
  • the sensor according to a second aspect of the invention comprises a support 1 0, for example a support made of silicon, separated from the micromechanical structure by an electrical insulating layer 1, for example a layer 1 of aluminum nitride (AlN).
  • a support 1 for example a support made of silicon
  • AlN aluminum nitride
  • the membrane 4 undergoes an elastic deformation modifying the distance between the membrane 4 and the support 10.
  • This variation in distance results in a proportional variation of the capacitance Cp.
  • This variation can be measured, for example by means of a first PC contact disposed on the support and a second DC contact disposed on the membrane 4, and the pressure P exerted on the SiC membrane can be deduced from this measured.
  • MEMS sensors can also be piezoresistive type pressure sensors.
  • a piezoresistive sensor according to a second aspect of the invention comprises at least two deposited contacts. on the SiC membrane 4 of the micromechanical structure. Under the effect of pressure, a variation of the resistivity of the SiC membrane proportional to the pressure applied is measured and allows to deduce the pressure exerted on the SiC membrane.
  • the senor is a chemical sensor.
  • a chemical sensor may, for example, be obtained by deposition, on the silicon carbide membrane 4 of the cavity of the micromechanical structure obtained by a method according to a first aspect of the invention, of at least one sensitive layer.
  • a chemical compound to be detected in particular graphene or metal oxide, for example a layer of SiO 2 , TiO 2 , ZnO, SnO 2 .

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une structure micromécanique en carbure de silicium comportant une cavité (5), à partir d'un empilement comprenant une première couche (2) de carbure de silicium et une couche de silicium (3) sur la première couche de carbure de silicium, ledit procédé comportant une étape de mise en forme de la couche de silicium (3) de sorte à former une structure discrète (3') de silicium sur la première couche (2) de carbure de silicium. Le procédé selon l'invention comprend en outre après l'étape de mise en forme de la couche de silicium (3) : - une étape de carburation initiant l'élimination de la structure discrète de silicium (3'); - une étape de dépôt d'une deuxième couche de carbure de silicium; - une étape de recuit; la structure discrète (3') de silicium étant entièrement éliminée à l'issue de l'étape de recuit. Figures2D-2F

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE STRUCTURE MICROMECANIQUE EN CARBURE DE SILICIUM COMPORTANT AU MOINS UNE CAVITE
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
Le domaine technique de l'invention est celui de la micro fabrication. La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une structure micromécanique en carbure de silicium comportant au moins une cavité.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION
Les structures micromécaniques, et en particulier les microsystèmes électromécaniques, sont employés dans de nombreux domaines techniques et notamment dans la fabrication de capteurs. Ces capteurs sont parfois utilisés dans des environnements hostiles, c'est-à-dire des environnements qui présentent des températures ou des pressions élevées, ou des conditions chimiques extrêmes. Pour de telles applications, il est connu d'avoir recours à des microsystèmes électromécaniques réalisés dans un matériau résistant tel que le carbure de silicium (SiC). Ce matériau présente en effet de nombreux avantages, notamment sa forte résistance mécanique et son inertie vis-à-vis de la plupart des agents chimiques.
De tels capteurs sont connus de la littérature et décrits par N. Marsi et al. (The Mechanical and Electrical Effects of MEMS Capacitive Pressure Sensor Based 3C- SiC for Extrême Température, Journal of Engineering, Vol. 2014, Article ID 7151 67); D. J. Young et al. (High-Temperature Single-Crystal 3C-SiC Capacitive Pressure Sensor, IEEE Sensors Journal, Vol. 4, No 4, August 2004); G-S Chung (Fabrication and Characterization of a Polycrystalline 3C-SiC Piezoresistive Micro-pressure Sensor, Journal of the Korean Physical Society, Vol. 56, No 6, June 2010, pp 1759- 1762); ou encore par B. V. Cunning et al. (Graphitized silicon carbide microbeams: wafer-level, self-aligned graphene on silicon wafers, Nanotechnology, Vol. 25(32) p. 325301 , 2014).
Cependant, cette inertie chimique a pour conséquence de rendre très difficile la réalisation de structures micromécaniques en carbure de silicium, car les agents habituellement utilisés dans les procédés de fabrication de microsystèmes conventionnels sont difficilement applicables au carbure de silicium. Le document EP21 68910B1 propose un procédé dans lequel une structure sacrificielle de silicium germanium (SiGe) est déposée et structurée sur une surface de carbure de silicium. Cette structure sacrificielle est ensuite recouverte par une couche de carbure de silicium. Une ouverture est ensuite ménagée à la surface de la couche de carbure de silicium, cette ouverture débouchant sur la structure sacrificielle de silicium germanium. Une gravure humide est ensuite effectuée, l'agent de gravure pénétrant par l'ouverture ménagée dans la couche de carbure de silicium et attaquant la structure sacrificielle. Une fois que la structure de silicium germanium a été entièrement gravée, l'ouverture ménagée dans la couche de carbure de silicium est refermée afin d'obtenir une cavité.
Ce procédé n'est cependant pas sans inconvénient. Tout d'abord, afin de libérer la membrane, il est nécessaire d'exposer la structure sacrificielle à l'agent chimique de gravure, ce qui impose de ménager une ouverture dans la couche de carbure de silicium qu'il faudra ensuite refermer. De plus, l'étape de gravure nécessite un agent chimique liquide ce qui peut conduire à un « collage » {sticking effect en anglais) de la structure de carbure de silicium induit par la tension superficielle de l'agent de gravure ou de l'agent de rinçage rendant la structure micromécanique inopérante.
Il existe donc un besoin d'un procédé de fabrication d'une structure micromécanique en carbure de silicium comportant une cavité, par exemple un microsystème électromécanique, ne nécessitant pas de ménager une ouverture dans la couche de carbure de silicium pour effectuer l'étape de gravure et permettant de prévenir le phénomène d'adhésion de la membrane de la cavité lors de cette étape de gravure.
RESUME DE L'INVENTION L'invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en permettant de supprimer la structure discrète de silicium par l'intermédiaire d'une étape de carburation, d'une étape de dépôt et d'une étape de recuit. Il est ainsi possible de s'affranchir de l'étape de gravure. Les inconvénients concernant l'ouverture ménagée dans la couche de carbure de silicium et le phénomène de collage qui lui sont associés sont ainsi évités.
Pour cela, un premier aspect de l'invention concerne un procédé de fabrication d'une structure micromécanique en carbure de silicium comportant une cavité, à partir d'un empilement comprenant une première couche de carbure de silicium et une couche de silicium sur la première couche de carbure de silicium, ledit procédé comportant une étape de mise en forme de la couche de silicium de sorte à former une structure discrète de silicium sur la première couche de carbure de silicium. Afin d'obtenir la structure micromécanique, le procédé selon l'invention comprend également :
- une étape de carburation initiant l'élimination de la structure discrète de silicium ;
- une étape de dépôt d'une deuxième couche de carbure de silicium ;
- une étape de recuit ;
la structure discrète de silicium étant entièrement éliminée à l'issue de l'étape de recuit.
On entend par étape de carburation une étape de recuit dans une atmosphère contenant un précurseur du carbone, par exemple du propane, mais dépourvue de silicium entraînant la croissance d'une couche de carbure de silicium au niveau de la surface de la structure discrète de silicium. Cette étape va créer des espaces vides dans les structures sacrificielles de silicium. Ces espaces vides seront appelés voids dans le reste du texte. Dans le procédé en question, une seule structure discrète de silicium est formée. Cependant, il est également possible de former une pluralité de structures discrètes de silicium permettant d'obtenir une pluralité de cavités. Dans la suite du texte, l'expression « une structure discrète » devra donc être comprise comme « au moins une structure discrète » et l'expression « une cavité » devra donc être comprise comme « au moins une cavité ». Dans le procédé selon l'invention, durant les étapes de carburation, de dépôt d'une deuxième couche de carbure de silicium et de recuit, une croissance du carbure de silicium se produit et entraine une migration des atomes de silicium de la structure discrète de silicium vers les zones de croissance, c'est-à-dire vers la surface de la structure discrète de silicium. Cette diffusion a deux conséquences : elle alimente la croissance de la couche de carbure de silicium en atomes de silicium au niveau de la surface de la structure discrète et elle entraine la formation d'une cavité dans cette même structure. On obtient donc une structure micromécanique en carbure de silicium comportant une cavité sans avoir recours à un agent de gravure. De plus, étant donné qu'aucun agent de gravure n'est utilisé, il n'est plus nécessaire de ménager une ouverture dans la deuxième couche de carbure de silicium et on peut donc obtenir une cavité scellée hermétiquement sans problème de « collage » (sticking effect en anglais) et de scellement.
L'étape de mise en forme de la couche de silicium permet de déterminer la géométrie de la cavité et de contrôler la taille de cette dernière dans les trois dimensions. Ainsi, contrairement à l'état de l'art qui décrit le phénomène de formation des voids comme un phénomène indésirable dont les propriétés géométriques sont dictées par l'orientation cristalline du silicium, le procédé selon l'invention permet de contrôler ce phénomène afin d'obtenir une cavité scellée hermétiquement ayant des dimensions parfaitement contrôlées et indépendantes de l'orientation cristalline de la couche de silicium. Plus particulièrement, une fois la structure discrète de silicium formée à la surface de la première couche de carbure de silicium, la formation de la cavité est assurée par les trois dernières étapes du procédé. Tout d'abord, l'étape de carburation permet d'initier la formation des voids et d'une couche de carbure de silicium à la surface de la structure discrète de silicium. A l'issue de cette première étape, la taille des voids est inférieure à cent nanomètres. Afin d'assurer une continuité de la membrane, l'étape de dépôt d'une deuxième couche de carbure de silicium est ensuite réalisée. Cette étape va permettre de combler une partie des ouvertures créées lors de l'étape de carburation. Cette étape est effectuée de sorte que, à la fin du dépôt, des ouvertures permettant la diffusion des atomes de silicium à la surface de la couche de carbure de silicium soient toujours présentes dans la couche de carbure de silicium. Enfin, l'étape de recuit permet de consommer le précurseur de carbone et le silicium restant de sorte à former une structure micromécanique en carbure de silicium comportant une cavité scellée.
Outre les caractéristiques qui viennent d'être évoquées dans le paragraphe précédent, le procédé de fabrication d'une structure micromécanique en carbure de silicium comportant une cavité selon un aspect de l'invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Avantageusement, l'étape de mise en forme de la couche de silicium est directement suivie d'une deuxième étape de recuit. Cette deuxième étape de recuit permet d'améliorer l'état de surface de la structure discrète de silicium avant l'étape de carburation et ainsi de maîtriser l'orientation cristalline de la membrane de carbure de silicium. Elle permet notamment d'obtenir une couche de carbure de silicium dont l'orientation cristalline est de type (1 1 1 ). Cette orientation cristalline permet d'obtenir une faible rugosité comparativement à une membrane dont l'orientation cristalline est de type (1 10).
Avantageusement, une étape de transition thermique est effectuée entre l'étape de carburation et l'étape de dépôt de la deuxième couche de carbure de silicium. Lors de cette étape de transition thermique, la température évolue d'une première température égale à la température de l'étape de carburation vers une deuxième température égale à la température de l'étape de dépôt de la deuxième couche de carbure de silicium.
Ainsi, lors de cette étape, les voids formés durant l'étape de carburation vont croître pour atteindre une taille de l'ordre de quelques centaines de nanomètre voire de l'ordre de quelques micromètres.
Préférentiellement, une étape d'attente est effectuée entre l'étape de transition thermique et l'étape de dépôt de la deuxième couche de carbure de silicium. Ce temps d'attente permet de moduler la taille des voids en fonction de la taille de la cavité souhaitée.
Avantageusement, la température lors de l'étape de recuit est comprise entre 1 100°C et 1400°C. Cette fenêtre de températures assure un bon compromis entre la vitesse de croissance des voids et de la couche de carbure de silicium et la qualité du carbure de silicium obtenu lors de cette étape de recuit.
Avantageusement, la durée de l'étape de recuit est choisie en fonction de la largeur, de la longueur et/ou de l'épaisseur de la structure discrète de silicium. Ainsi, la structure de silicium est entièrement consommée à l'issue de l'étape de recuit pour former la structure micromécanique en carbure de silicium comportant une cavité.
De manière préférentielle, l'étape de carburation est effectuée dans une atmosphère comportant un gaz hydrocarburé. Avantageusement, le propane est choisi comme gaz précurseur du carbone et l'hydrogène est choisi comme gaz porteur.
Avantageusement, l'empilement comprend un substrat et le procédé selon l'invention comprend, avant l'étape de mise en forme de la couche de silicium :
- une étape de dépôt d'une première couche de carbure de silicium sur le substrat ;
- une étape de dépôt d'une couche de silicium sur la première couche de carbure de silicium. L'étape de dépôt d'une première couche de carbure de silicium et l'étape de dépôt d'une couche de silicium permettent d'obtenir l'empilement comprenant une première couche de carbure de silicium et une couche de silicium sur la première couche de carbure de silicium. Avantageusement, le substrat formant la première couche de l'empilement est choisi de sorte à permettre la croissance cristalline de 3C-SiC. Ce substrat peut être un substrat de silicium (Si), de saphir (Al203), de nitrure d'aluminium (AIN), de carbure de silicium (SiC) ou de nitrure de gallium (GaN). Avantageusement, la première couche de carbure de silicium et/ou la deuxième couche de carbure de silicium ont une structure cristalline de type 3C-SiC. De préférence, la première couche de carbure de silicium a une orientation cristalline de type (001 ) et/ou la deuxième couche de carbure de silicium a une orientation cristalline de type (1 1 1 ).
Avantageusement, l'étape de mise en forme est réalisée de sorte à former dans la couche de silicium une pluralité d'éléments de liaison, chaque élément de liaison de la pluralité d'éléments de liaison joignant au moins une première structure discrète de la pluralité de structures discrètes à une deuxième structure discrète de la pluralité de structures discrètes.
De préférence, pour chaque élément de liaison de la pluralité d'éléments de liaison, la largeur dudit élément de liaison est inférieure à la largeur des structures discrètes parmi la pluralité de structures discrètes que ledit élément de liaison joint.
On entend par largeur d'une structure discrète, l'arête de plus petite dimension d'une coupe de ladite structure discrète obtenue selon un plan parallèle à la surface de la première couche de carbure de silicium et passant par ladite structure discrète. De la même manière, on entend par largeur d'un élément de liaison, l'arête de plus petite dimension d'une coupe dudit élément de liaison obtenue selon un plan parallèle à la surface de la première couche de carbure de silicium et passant par ledit élément de liaison. Ainsi, on obtient une cavité dans une structure de carbure de silicium comportant des zones larges correspondant aux structures discrètes de silicium supprimées et des zones de largeur réduite correspondant aux éléments de liaison supprimées. En effet, les éléments liaison étant réalisés dans la même couche que les structures discrètes, ils sont donc éliminés en même temps que les structures discrètes de silicium.
Un deuxième aspect de l'invention concerne un capteur de type microsystème électromécanique comprenant une structure micromécanique en carbure de silicium comportant une cavité scellée par une membrane de carbure de silicium, obtenue par un procédé selon un premier aspect de l'invention.
Avantageusement, le capteur est un capteur de pression de type piézorésistif ou de type capacitif.
Avantageusement, le capteur est un capteur chimique comprenant au moins une couche sensible à un composé chimique à détecter, ladite couche sensible étant déposée sur ladite membrane.
Un troisième aspect de l'invention concerne l'utilisation d'un capteur selon un deuxième aspect de l'invention dans ou sur un tissu organique.
Un troisième aspect de l'invention concerne l'utilisation d'un capteur selon un deuxième aspect de l'invention dans un environnement radiatif.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent :
- la figure 1 , un ordinogramme du procédé selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
- les figures 2A à 2F, un schéma des différentes étapes du procédé selon un deuxième mode de réalisation ;
- la figure 3, un ordinogramme du procédé selon un troisième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 4, un ordinogramme du procédé selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 5, un ordinogramme du procédé selon un cinquième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 6, un ordinogramme du procédé selon un sixième mode de réalisation de l'invention ; - les figures 7 A et 7B, une illustration de la structure obtenue à l'issue de l'étape de mise en forme de la couche de silicium selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 8, un mode de réalisation d'un capteur selon un deuxième aspect de l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE
Un aspect de l'invention illustré à la figure 1 et aux figures 2A à 2F concerne un procédé de fabrication d'une structure micromécanique en carbure de silicium comportant une cavité 5, à partir d'un empilement comprenant une première couche de carbure de silicium 2 et une couche de silicium 3 sur la première couche de carbure de silicium 2, ledit procédé comportant une étape 102 de mise en forme de la couche de silicium 3 (figure 2C) de sorte à former une structure discrète 3' de silicium sur la première couche de carbure de silicium 2.
Afin d'obtenir une structure micromécanique en carbure de silicium comportant une cavité 5, le procédé comprend en outre :
- une étape 103 de carburation initiant l'élimination de la structure discrète de silicium 3';
- une étape 104 de dépôt d'une deuxième couche de carbure de silicium 4 ;
- une étape 105 de recuit.
la structure discrète de silicium étant entièrement éliminée à l'issue de l'étape de recuit. Comme expliqué précédemment, on entend par carburation une étape de recuit dans une atmosphère contenant un précurseur du carbone, par exemple du propane, mais dépourvue de silicium entraînant la croissance d'une couche de carbure de silicium au niveau de la surface de la structure discrète de silicium ainsi que la formation de voids dans ces mêmes structures.
La croissance du carbure de silicium lors de l'étape 103 de carburation, l'étape 104 de dépôt d'une deuxième couche de carbure de silicium 4 et lors de l'étape 105 de recuit entraine la formation d'une couche de carbure de silicium à la surface de la structure discrète (figure 2D) ainsi qu'une migration des atomes de silicium SI (illustrée par des flèches en pointillées à la figure 2E) de la structure discrète 3' de silicium vers les zones de croissance, c'est-à-dire vers la surface de la structure discrète 3' de silicium. Cette diffusion a deux conséquences : elle alimente la croissance de la couche de carbure de silicium 4 en atomes de silicium au niveau de la surface de la structure discrète 3' et elle entraine la formation d'une cavité 5 (illustrée par des flèches continues à la figure 2E) dans ces mêmes structures 3'. On obtient donc une structure micromécanique en carbure de silicium comportant une cavité 5 sans avoir recours à un agent de gravure. De plus, étant donné qu'aucun agent de gravure n'est utilisé, il n'est plus nécessaire de ménager une ouverture dans la couche de carbure de silicium 4 et on peut donc obtenir une cavité 5 scellée hermétiquement.
Plus particulièrement, l'étape 103 de carburation permet d'initier la formation des voids. A l'issue de cette première étape, la taille des voids est en général inférieure à cent nanomètres. Afin d'assurer une continuité de la membrane, l'étape 104 de dépôt d'une deuxième couche de carbure de silicium 4 est ensuite réalisée. Cette étape va permettre de combler une partie des ouvertures créées lors de l'étape 103 de carburation. Cette dernière est réalisée de sorte que, à la fin de l'étape 104 de dépôt de la deuxième couche de carbure de silicium 4, des ouvertures permettant la diffusion des atomes de siliciums à la surface de la couche de carbure de silicium 4 soient toujours présentes dans la couche de carbure de silicium 4. Durant ces deux premières étapes, la couche de 3C-SiC continue de se former et s'épaissir. Enfin, l'étape 104 de recuit permet de consommer le précurseur du carbone et le silicium restants de sorte à former une structure micromécanique en carbure de silicium comportant une cavité scellée 5.
Autrement dit, une structure micromécanique en carbure de silicium comportant une cavité 5 est formée par la consommation des atomes de silicium de la structure discrète 3', cette consommation entraînant la formation de la couche de carbure de silicium 4 formant une membrane de carbure de silicium. La cavité 5 est donc auto scellée et la pression au sein de cette cavité 5 est identique à la pression utilisée lors de l'étape 105 de recuit. Dans un mode de réalisation, le carbure de silicium composant la deuxième couche de carbure de silicium 4 a une structure cristalline du type 3C-SiC.
Dans un mode de réalisation illustré à la figure 3, l'empilement comprend en outre un substrat 1 . Le procédé comprend alors, avant l'étape 102 de mise en forme de la couche de silicium 3 :
- une étape 100 de dépôt (figure 2A) d'une première couche de carbure de silicium 2 sur le substrat 1 ;
- une étape 101 de dépôt (figure 2B) d'une couche de silicium 3 sur la première couche de carbure de silicium 2.
L'étape 100 de dépôt d'une première couche de carbure de silicium 2 et l'étape 101 de dépôt d'une couche de silicium 3 permettent d'obtenir l'empilement comprenant une première couche de carbure de silicium 2 et une couche de silicium 3 sur la première couche de carbure de silicium 2.
Le substrat 1 de l'empilement est choisi de sorte à permettre la croissance du carbure de silicium. Il peut être choisi parmi un substrat de silicium (Si), de saphir (Al203), de nitrure d'aluminium (AIN), de carbure de silicium (SiC) ou de nitrure de gallium (GaN). En effet, ces substrats permettent de faire croître, lors de l'étape 100 de dépôt de la première couche de carbure de silicium 2, une couche de carbure de silicium monocristallin et améliore ainsi les caractéristiques mécaniques et électriques de la structure micromécanique obtenue. Dans un mode de réalisation, la première couche de carbure de silicium 2 est de type 3C-SiC. Dans un mode de réalisation, l'orientation cristalline de la première couche de carbure de silicium 2 est de type (001 ). Cependant, certaines conditions de croissance peuvent conduire à l'obtention d'une première couche de carbure de silicium 2 polycristalline voire amorphe. Dans un mode de réalisation, l'étape de dépôt 100 de la première couche de carbure de silicium 2 sur le substrat 1 peut être précédée d'une étape de retrait de l'oxyde natif présent à la surface dudit substrat 1 . Lorsque le substrat 1 est un substrat de silicium, cette étape de retrait de l'oxyde natif peut prendre la forme d'une homoépitaxie d'une fine couche de silicium sur le substrat 1 de silicium ou d'un recuit sous atmosphère hydrogène. Si le substrat 1 est un nitrure, cette étape de retrait de l'oxyde natif peut prendre la forme d'un recuit sous atmosphère azote.
Dans un mode de réalisation, l'étape de dépôt 100 de la première couche de carbure de silicium 2 peut être réalisée par un procédé d'épitaxie, par exemple à l'aide d'une technique de dépôt chimique en phase gazeuse (CVD pour « Chemical Vapor Déposition » en anglais). Dans un mode de réalisation, l'épaisseur de la première couche de carbure de silicium 2 est comprise entre 100nm et 20μηπ, de préférence égale à 5μηι.
L'étape 102 de mise en forme (figure 2C) de la couche de silicium 3 peut être effectuée à l'aide d'une technique classique de lithographie. Par exemple, la gravure de la couche de silicium peut être effectuée à l'aide d'une gravure par plasma couplé par induction (ICP, pour « Inductively Coupled Plasma » en anglais) dans une atmosphère contenant de l'hexafluorure de soufre (SF6), de l'éthylène (C2H4) et de l'argon (Ar). Dans un autre exemple, on pourra avoir recours à une gravure humide. L'élimination de la couche de résine après gravure peut être effectuée par une étape de plasma oxygène. Cette étape de nettoyage plasma oxygène peut être éventuellement suivie d'une étape de nettoyage à l'aide d'une solution piranha.
Dans un mode de réalisation illustré à la figure 4, l'étape 102 de mise en forme (figure 2C) de la couche de silicium 3 est suivie d'une deuxième étape 106 de recuit. Lors de cette étape de recuit, la température peut être comprise entre 800°C et 1000°C. La pression lors de cette étape 106 de recuit peut être choisie inférieure à 1 bar. La durée de cette étape 106 de recuit peut être sensiblement égale à 10 minutes voire à 20 minutes. Elle permet d'obtenir un meilleur état de surface avant l'étape 103 de carburation et ainsi de maîtriser l'orientation cristalline de la deuxième couche de carbure de silicium 4. Dans un mode de réalisation, la deuxième couche de carbure de silicium 4 a une orientation cristalline du type (1 1 1 ).
Dans un mode de réalisation, la température lors de l'étape 103 de carburation est comprise entre 860°C et 1300°C, de préférence entre 860°C et 1 150°C. Dans une première variante, la température est modifiée de sorte à passer d'une température minimale de 860°C à une température maximale de 1 150°C. Dans une deuxième variante, la température est modifiée de sorte à passer d'une température minimale de 860°C à une température maximale de 1 100°C. De manière préférentielle, l'étape 103 de carburation est effectuée sous une atmosphère comportant un précurseur du carbone, par exemple du propane, et de l'hydrogène.
Dans un mode de réalisation illustré à la figure 5, lorsque la température entre l'étape
103 de carburation et l'étape 104 de dépôt de la deuxième couche de carbure de silicium 4 est différente, une étape 107 de transition thermique est effectuée entre l'étape 103 de carburation et l'étape 104 de dépôt de la deuxième couche de carbure de silicium 4. Lors de cette étape 107 de transition thermique, la température est modifiée d'une première valeur égale à la température de l'étape 103 de carburation vers une deuxième valeur égale à la température de l'étape 104 de dépôt de la deuxième couche de carbure de silicium 4. Lors de cette étape 107 de transition thermique, les voids formés lors de l'étape 103 de carburation vont croître pour atteindre une taille de l'ordre de quelques centaines de nanomètres voire de l'ordre du micromètre. Par exemple, pour une épaisseur de la structure discrète de silicium de 300nm, une étape 103 de carburation effectuée à 1 150°C et une étape
104 de dépôt de la deuxième couche de carbure de silicium 4 effectuée à 1320°C, à l'issue de l'étape 107 de transition thermique, la taille des voids est comprise entre 500nm et 1 μηι. Cette étape 107 de transition thermique peut être effectuée sous une atmosphère comportant de l'hydrogène.
Dans un mode de réalisation illustré à la figure 6, une étape 108 d'attente est effectuée entre l'étape 107 de transition thermique et l'étape 104 de dépôt de la deuxième couche de carbure de silicium 4. Cette étape 108 d'attente permet de faire croître les voids avant l'étape 104 de dépôt de la deuxième couche de carbure de silicium 4. La taille des voids à l'issue de l'étape 108 d'attente dépend de la durée de cette étape 108 d'attente. Par exemple, pour une épaisseur de la structure discrète de silicium 3' de 300nm, une étape 103 de carburation effectuée à 1 150°C et une étape 104 de dépôt de la deuxième couche de carbure de silicium 4 effectuée à 1320°C, la taille des voids obtenus à l'issue d'une étape 108 d'attente de 5 minutes est comprise entre 1 .5μηι et 2.5μηι. Dans un deuxième exemple, pour une épaisseur de la structure discrète de silicium de 300nm, une étape 103 de carburation effectuée à 1 150°C et une étape 104 de dépôt de la deuxième couche de carbure de silicium 4 effectuée à 1320°C, la taille des voids obtenus à l'issue d'une étape 108 d'attente de 10 minutes est comprise entre 3.5μηι et 5μηι.
La taille des voids est également dépendante de l'épaisseur de la structure discrète 3'. Par exemple, pour une épaisseur de la structure discrète de silicium de 100nm, une étape 103 de carburation effectuée à 1 150°C et une étape 104 de dépôt de la deuxième couche de carbure de silicium 4 effectuée à 1320°C, la taille des voids obtenus à l'issue d'une étape 108 d'attente de 5 minutes est au moins égale à 5μηι. Dans un deuxième exemple, pour une épaisseur de la structure discrète de silicium de 500nm, une étape 103 de carburation effectuée à 1 150°C et une étape 104 de dépôt de la deuxième couche de carbure de silicium 4 effectuée à 1320°C, la taille des voids obtenus à l'issue d'une étape 108 d'attente de 5 minutes est égale à 900nm. Dans un troisième exemple, pour une épaisseur de la structure discrète de silicium de 1 .2μηπ, une étape 103 de carburation effectuée à 1 150°C et une étape 104 de dépôt de la deuxième couche de carbure de silicium 4 effectuée à 1320°C, la taille des voids obtenus à l'issue d'une étape 108 d'attente de 5 minutes est égale à 400nm.
Dans un mode de réalisation, la température lors de l'étape 104 de dépôt de la deuxième couche de carbure de silicium 4 est comprise entre 1 100°C et 1400°C. Cette étape 104 de dépôt peut être effectuée par épitaxie à l'aide d'un précurseur du silicium, par exemple le silane (SiH4) et un précurseur du carbone, par exemple le propane (C3H8). Ce dépôt peut être effectué par une technique de dépôt chimique en phase gazeuse (CVD pour « Chemical Vapor Déposition » en anglais). La durée de cette étape peut être comprise entre 30 secondes et 10 minutes, de préférence entre 1 minute et 3 minutes.
Dans un mode de réalisation, la température lors de l'étape de recuit 105 est égale à la température lors de l'étape de dépôt 104 de la deuxième couche de carbure de silicium 4, c'est-à-dire comprise entre 1 100°C et 1400°C.La durée de l'étape 105 de recuit est fonction de la taille de la structure discrète de silicium 3'. Par exemple, si la structure discrète 3' a une épaisseur de 200nm, une largeur de 20μηι et une longueur de 20μηπ, alors l'étape 105 de recuit a une durée sensiblement égale (à plus ou moins 20%) à 30 minutes. Dans un mode de réalisation illustré à la figure 7A, l'étape de mise en forme 102 est réalisée de sorte à former dans la couche de silicium 3 une pluralité d'éléments de liaison, chaque élément de liaison 3bis de la pluralité d'éléments de liaison joignant au moins une première structure discrète 3' de la pluralité de structures discrètes à une deuxième structure discrète 3' de la pluralité de structures discrètes.
De préférence, pour chaque élément de liaison 3bis de la pluralité d'éléments de liaison, la largeur dudit élément de liaison 3bis est inférieure à la largeur des structures discrètes 3' parmi la pluralité de structures discrètes que ledit élément de liaison 3bis joint. Chaque élément de liaison a de plus une longueur égale à la distance séparant les structures discrètes 3' parmi la pluralité de structures discrètes que ledit élément de liaison 3bis joint. Dans un mode de réalisation illustré à la figure 7B, les structures discrètes 3' sont réparties à la surface de la première couche de carbure de silicium 2 sous la forme d'une matrice de structures discrètes 3', lesdites structures discrètes formant une pluralité de lignes L et une pluralité de colonnes C, comprenant chacune une pluralité de structures discrètes 3'. Dans ce mode de réalisation, chaque structure discrète 3' d'une même colonne C est jointe au moyen d'un élément de liaison 3bis à la structure discrète 3' qui la précède dans la colonne C de sorte à obtenir une structure continue formée par une alternance de structures discrètes 3' et d'éléments de liaison 3bis. Dans un mode de réalisation, les structures discrètes ont une forme carrée d'une largeur de 25 μηι et les éléments de liaison ont une largeur de 5 μηι et une longueur de 10 μηι. Autrement dit, dans ce mode de réalisation, deux structures discrètes 3' consécutives jointes par un élément de liaison 3bis sont donc espacées d'une distance de 10 μηι. Les structures discrètes de silicium 3' et les éléments de liaison 3bis étant réalisés dans la même couche de silicium 3, ils ont donc une épaisseur identique égale à l'épaisseur de ladite couche de silicium 3. Cette épaisseur peut par exemple être égale à 200nm. Les étapes réalisées sur les structures discrètes de silicium 3', notamment l'étape de carburation 103, l'étape de dépôt de carbure de silicium 104 et l'étape de recuit 105, sont également mises en œuvre sur les éléments de liaison 3bis. On obtient donc une cavité 5 dans une structure en carbure de silicium comportant des zones ayant une largeur de 25 μηι correspondant aux structures discrètes de silicium 3' supprimées et des zones de ayant une largeur de 5μηι et une longueur de 10 μηι correspondant aux éléments de liaison 3bis supprimées par le procédé objet de l'invention. En effet, les éléments de liaison 3bis étant réalisés dans la même couche de silicium 3 que les structures discrètes de silicium 3', ils sont donc éliminés de manière concomitante avec les structures discrètes de silicium. Une application particulièrement avantageuse de ces structures micromécaniques 5 concerne la réalisation de capteurs, notamment de capteurs utilisés en milieu sévère, impliquant des conditions de pression et/ou de température extrêmes ainsi que dans des environnements chimiques exigeants. De tels capteurs, en particuliers des capteurs « MEMS » ou microsystème électromécanique, bénéficient avantageusement des propriétés mécaniques et électriques du SiC, notamment ses propriétés de conductivité thermique, de résistance mécanique ainsi que sa stabilité envers la plupart des composés chimiques, même à des températures excédants 300°C, rendent le SiC particulièrement adapté à ce type d'applications. Les capteurs MEMS sont, par exemple, des capteurs de pression de type capacitif. Dans un mode de réalisation illustré à la figure 8, le capteur selon un deuxième aspect de l'invention comporte un support 1 0, par exemple un support en silicium, séparé de la structure micromécanique par une couche d'isolant électrique 1 , par exemple une couche 1 de nitrure d'aluminium (AIN). Sous l'effet d'une pression P, la membrane 4 subit une déformation élastique modifiant la distance entre la membrane 4 et le support 10. Cette variation de distance résulte en une variation proportionnelle de la capacité Cp. Cette variation peut être mesurée, par exemple par l'intermédiaire d'un premier contact PC disposé sur le support et d'un deuxième contact DC disposé sur la membrane 4, et la pression P exercée sur la membrane de SiC peut être déduite de cette mesure.
Les capteurs MEMS peuvent également être des capteurs de pression de type piézorésistif. Dans un mode de réalisation (non illustré), un capteur piézorésistif selon un deuxième aspect de l'invention comporte au moins deux contacts déposés sur la membrane 4 en SiC de la structure micromécanique. Sous l'effet d'une pression, une variation de la résistivité de la membrane de SiC proportionnelle à la pression appliquée est mesurée et la permet d'en déduire la pression exercée sur la membrane de SiC.
Dans un autre mode de réalisation d'un capteur selon un deuxième aspect de l'invention, le capteur est un capteur chimique. Un tel capteur chimique peut, par exemple, être obtenus par le dépôt, sur la membrane 4 de carbure de silicium de la cavité de la structure micromécanique obtenue par un procédé selon un premier aspect de l'invention, d'au moins une couche sensible à un composé chimique à détecter, notamment de graphène ou d'oxyde métallique, par exemple une couche de Si02, Ti02, ZnO, Sn02.
L'utilisation des propriétés d'une membrane telle que celle obtenue à l'aide d'un procédé selon un premier aspect de l'invention à des fins de détection est une pratique bien connue de l'homme du métier. Les configurations qui viennent d'être présentées servent avant tout à illustrer, à travers quelques exemples, les avantages qui résultent de l'utilisation d'une structure micromécanique obtenue à l'aide d'un procédé selon un premier aspect de l'invention et de la mise en place d'une telle structure dans un capteur selon un deuxième aspect de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
Procédé de fabrication d'une structure micromécanique en carbure de silicium comportant une cavité (5), à partir d'un empilement comprenant une première couche (2) de carbure de silicium et une couche de silicium (3) sur la première couche de carbure de silicium, ledit procédé comportant une étape (102) de mise en forme de la couche de silicium (3) de sorte à former une structure discrète (3') de silicium sur la première couche
(2) de carbure de silicium ; ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend après l'étape (102) de mise en forme de la couche de silicium (3) :
- une étape (103) de carburation initiant l'élimination de la structure discrète de silicium (3') ;
- une étape (104) de dépôt d'une deuxième couche de carbure de silicium ;
- une étape (105) de recuit ;
la structure discrète (3') de silicium étant entièrement éliminée à l'issue de l'étape de recuit (105).
Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'étape (102) de mise en forme de la couche
(3) de silicium est directement suivie d'une deuxième étape (106) de recuit.
Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend une étape (107) de transition thermique entre l'étape (103) de carburation et l'étape de dépôt (104) de la deuxième couche de carbure de silicium durant laquelle la température évolue d'une première température égale à la température de l'étape (103) de carburation vers une deuxième température égale à la température de l'étape de dépôt (104) de la deuxième couche de carbure de silicium.
4. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comprend une étape (108) d'attente entre l'étape (107) de transition thermique et l'étape (104) de dépôt de la deuxième couche de carbure de silicium.
Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la température lors de l'étape (104) de dépôt de la deuxième couche de carbure de silicium et/ou de l'étape (105) de recuit est comprise entre 1 100°C et 1400°C.
Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la durée de l'étape (105) de recuit est choisie en fonction de la largeur, de la longueur et/ou de l'épaisseur de la structure discrète (3') de silicium.
Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'étape (103) de carburation est effectuée sous une atmosphère comportant un gaz hydrocarburé.
Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'empilement comprend en outre un substrat (1 ) ; ledit procédé comprenant, avant l'étape (102) de mise en forme de la couche de silicium (3) :
- une étape (100) de dépôt d'une première couche (2) de carbure de silicium sur le substrat (1 );
- une étape (101 ) de dépôt d'une couche de silicium (3) sur la première couche de carbure de silicium (2) ;
l'étape (100) de dépôt d'une première couche (2) de carbure de silicium et l'étape (101 ) de dépôt d'une couche de silicium (3) permettant d'obtenir l'empilement comprenant une première couche (2) de carbure de silicium et une couche de silicium (3) sur la première couche de carbure de silicium.
9. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que le substrat formant la première couche de l'empilement est choisi parmi un substrat de silicium (Si), de saphir (Al203), de nitrure d'aluminium (AIN), de carbure de silicium (SiC) ou de nitrure de gallium (GaN).
Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'étape mise en forme (102) est réalisée de sorte à former dans la couche de silicium (3) une pluralité d'éléments de liaison (3bis) et une pluralité de structures discrètes (3'), chaque élément de liaison (3bis) de la pluralité d'éléments de liaison (3bis) joignant au moins une première structure discrète (3') de la pluralité de structures discrètes (3') à une deuxième structure discrète (3') de la pluralité de structures discrètes (3').
1 1 . Capteur de type microsystème électromécanique comprenant une structure micromécanique en carbure de silicium comportant une cavité (5) scellée par une membrane de carbure de silicium obtenue à l'aide d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 10.
12. Capteur selon la revendication 1 1 , pour lequel ledit capteur est un capteur de pression de type piézorésistif ou de type capacitif.
13. Capteur selon la revendication 1 1 , pour lequel ledit capteur est un capteur chimique comprenant au moins une couche sensible à un composé chimique à détecter, ladite couche sensible étant déposée sur ladite membrane.
14. Utilisation d'un capteur, tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 1 à 13 dans ou sur un tissu organique.
15. Utilisation d'un capteur, tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 1 à 13 dans un environnement radiatif.
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