WO2020240103A1 - Méthode de fabrication d'un émetteur électroacoustique miniaturise - Google Patents

Méthode de fabrication d'un émetteur électroacoustique miniaturise Download PDF

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WO2020240103A1
WO2020240103A1 PCT/FR2020/000179 FR2020000179W WO2020240103A1 WO 2020240103 A1 WO2020240103 A1 WO 2020240103A1 FR 2020000179 W FR2020000179 W FR 2020000179W WO 2020240103 A1 WO2020240103 A1 WO 2020240103A1
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WO
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layer
resin
layers
deposited
wafer
Prior art date
Application number
PCT/FR2020/000179
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English (en)
Inventor
Damien HERMELIN
Gilles Bourbon
Patrice Le Moal
Gwezheneg LEBELEC
Pierre Nicole
Wilfried LEBONNIEC
Original Assignee
Aer
Université De Franche-Comte
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0292—Electrostatic transducers, e.g. electret-type

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a miniaturized capacitive ultrasonic electroacoustic transmitter capable of operating at high voltages greater than 500 V and of radiating at high acoustic pressures at 1 m of between 80 dB and 150 dB at an activation frequency. low level between 20 kHz and 110 kHz.
  • It relates to a miniaturized capacitive ultrasonic electroacoustic transducer with high vibrational amplitudes of one to a few tens of zero-peak microns and operating at high alternating or direct voltages greater than 500 V.
  • the invention lies in the field of ultrasonic acoustic wave transmitters and receivers. It finds its application in the determination of the physical parameters of a mobile at rest and / or in motion in a complex environment where mechanical, thermal, electrical, electromagnetic and vibratory disturbances are significant. For example in aeronautics, it makes it possible to determine the speed of an aircraft from the flight time of the ultrasonic acoustic wave between a transmitter and a receiver or a multiplicity of transmitters and / or receivers.
  • the miniaturized capacitive ultrasonic electroacoustic transducers are millimeter-sized ultrasonic transducers, in particular submillimeter, based on the electrostatic effect, operating in an acoustic-type wave propagation medium and usually manufactured from silicon using micro- surface or wafer bonding machining or other techniques known from the state of the art.
  • the basic structure of a miniaturized ultrasonic capacitive electroacoustic transducer is that of a planar capacitor with a parallel armature, one of the electrodes of which is fixed and the other movable along at least one axis, said movable electrode comprising a vibrating membrane capable of vibrating along said axis. These are separated by a cavity whose edges are formed by an insulating layer characterizing the nature of the transducer in terms of performance.
  • Generic architecture consists of a circular or square or hexagonal vibrating membrane or other geometric shape vibrating above the cavity of substantially the same geometric shape.
  • the cavity is between a so-called lower electrode and the vibrating membrane.
  • the membrane can be made of a conductive material and becomes the so-called upper electrode.
  • a metallic layer constituting the upper electrode is deposited on the vibrating membrane.
  • the depth of the cavity defines the electrostatic gap because the mechanical gap is substantially equal to the electrostatic gap, and the maximum vibratory displacement field of the vibrating membrane.
  • An alternating potential difference on which is possibly superimposed a direct voltage, is applied between the lower electrode and the upper electrode so as to create an alternating electrostatic field and consequently an alternating electrostatic pressure leading to a vibratory displacement of the membrane vibrant.
  • the vibratory displacement of the vibrating membrane then makes it possible to generate an acoustic wave in the surrounding environment.
  • an incident acoustic wave reaching the membrane causes a vibration of the latter, ie a variation in electrostatic capacity and therefore a measurable electric current depending on the acoustic power of the incident wave.
  • ultrasonic capacitive electroacoustic transducers can therefore be used as an acoustic wave transmitter to determine physical parameters such as speed, angle of incidence, pitch angle, temperature etc. of a mobile at rest and / or moving in a complex environment as described in the following patent applications: FR 3027398 and FR 2974908.
  • the ultrasonic capacitive electroacoustic transducers must be miniaturized, mounted on the structure of the aircraft and operate in the specific ultrasound range and be mainly characterized by high performance required namely:
  • the simultaneous and combined obtaining of high performance involves the use of high electrical voltages leading to partial discharges and large leakage currents.
  • the required vibration amplitude levels of the order of 1 to a few tens of microns, in particular greater than 10 ⁇ m lead to electrostatic gaps of the same order and slightly higher, in particular between 20 ⁇ m and 50 ⁇ m, which imply to bring into play high voltages, in particular a few thousand volts (1000 V to 4000 V). Therefore, there is a need to improve current manufacturing methods to enable the manufacture of transducers simultaneously having the specific characteristics of high performance.
  • capacitive ultrasonic electroacoustic transducers are surface micromachining and wafer bonding, in particular anodic bonding.
  • the micromachining method relies on the deposition and stacking of layers generally of submillimeter or submicrometric thickness.
  • the thicknesses of the layers potentially involved lead to electrostatic gaps of similar values; hence its incompatibility for manufacturing transducers with high performance characteristics.
  • the wafer bonding method and in particular anodic bonding, consists of the assembly of a glass wafer and a silicon wafer.
  • the cavities etched in the glass wafer determine the electrostatic gaps. Thus, gaps of a few tens of microns can be considered.
  • G anodic bonding is based on the application of high voltages causing positive ions to migrate out of the glass / silicon contact area, the excess negative ions reacting with the silicon ions to form an irreversible bond.
  • the glass wafer used in the anodic bonding method presents, by necessity of the technology, a high ion density which proves to be very problematic in a high voltage application (generation of leakage current / partial discharge) .
  • its low electrical resistivity can induce an electrical current at high voltage level, a source of excessive consumption.
  • a metal layer is deposited on this glass wafer and structured according to a lower electrode, an electrical supply pad and an electrical track connecting the lower electrode and the pad power supply,
  • a layer of resin is deposited on the glass wafer and structured at the level of the lower electrode according to the geometrical shape envisaged so as to produce the cavity materializing the electrostatic gap, - A silicon wafer constituting the vibrating membrane is bonded under vacuum on the resin layer.
  • the vacuum quality obtained during vacuum bonding of silicon and substrate wafers can lead to electric arcs for high voltages.
  • the present invention therefore aims to remedy these drawbacks by providing a method of manufacturing miniaturized capacitive electroacoustic transducers (emitters) having high performance characteristics and operating at high voltage greater than 500 V without inducing partial discharges and by minimizing the currents of leak.
  • Ultrasound / ultrasound in the present case of measurements of the physical parameters (speed, pitch angle, angle of incidence, temperature, etc.) of a moving object or at rest, designates a mechanical wave which propagates through media of the fluid or solid type and whose frequency is between 20 kHz and 1 GHz;
  • Electroacoustic transducer designates the property of an object which, under the effect of an electric field, responds mechanically by the emission of an acoustic wave;
  • Miniaturized designates small-sized objects whose size (length, width, depth, radius, thickness, etc.) is less than 3 cm;
  • High voltage designates the values of the electrical voltage greater than 500 V in alternating current or direct current
  • - Low level designates the range of ultrasonic frequencies located towards the lower limit of the definition interval of the ultrasonic frequencies, in the present case, typically between 20 kHz and 110 kHz;
  • - Deposit designates the process consisting in particular in depositing a layer of material on any surface.
  • this refers to the stages of coating (application of resin to a wafer), of rotation of the wafer (determination of the thickness of the resin layer), and of baking ( evaporation of solvents and pre-hardening of the resin);
  • - Structuring designates in particular in the case of a photosensitive resin the stages of exposure (exposure to ultraviolet rays of specific areas defined by and through a so-called photolithography mask comprising patterns), of annealing (new baking leading to a change in solubility areas exposed and guaranteeing polymerization of the resin) and development (transfer of the patterns of said mask into the resin layer);
  • Rotation of a wafer refers to the movement of a wafer around its axis of rotation
  • - Heating refers to an action of transmitting thermal energy to an object, a material, etc.
  • Thickness of a layer refers to the dimension measured along the axis perpendicular to the plane of the wafer, particularly for materials of the resin and silicon type.
  • Depth of the cavity refers to the dimension measured along the axis perpendicular to the plane of the wafer of the potential vibratory displacement zone of the membrane, in particular defined by the sum of the thicknesses of the two layers of structural resin.
  • Photosensitive resin refers to a material whose physicochemical properties are irreversibly modified under the effect of exposure to a light source.
  • Dielectric strength refers to the maximum value of the electric field that can be applied to an insulating material before irreversible degradation by the appearance of electric arcs making it impossible to apply a new electric field.
  • Relative permittivity designates the ratio between the absolute permittivity of a material and the permittivity of a reference medium, in particular vacuum.
  • Electrical resistivity refers to the intrinsic ability of a material to oppose the flow of an electric current regardless of its dimensions and geometry.
  • the object of the invention is a method of manufacturing a miniaturized electroacoustic transmitter capable of operating at high voltages greater than 500 V and of radiating at high acoustic pressures at 1 m of between 80 dB and 150 dB at an ultrasonic frequency of low level activation between 20 kHz and 110 kHz.
  • This method consists of the following steps:
  • Step 1 on at least one support wafer, of surface S, in particular of glass, preferably amorphous, used as substrate wafer, is deposited a metallic layer of conductive material, in particular of gold, on the surface S of said support wafer and structured on said surface S of the support wafer according to:
  • Step 2 deposition in at least two intermediate steps (step 2-1 and step 2-2) of at least two layers of resins, with similar or significantly different physical and chemical properties:
  • a resin layer having a good quality of adhesion to the support wafer and a high electrical rigidity in line with the high voltages, is deposited on the surface S of the support wafer and / or on the metal layer and structured on at least part of the surface S of the support wafer and / or on said metallic layer to at least partially cover said surface S and / or said metallic layer;
  • Step 2-2 a resin layer, having a good quality of adhesion to the previous resin layer and a high dielectric strength in line with the high voltages, is deposited on the previous resin layer and structured on the latter in forming at least one embedding periphery;
  • Step 3 on at least one silicon wafer is deposited or glued at least one layer, which has physical and chemical properties similar or significantly different from the other previous resin layers.
  • the assembly consisting of said silicon wafer and said deposited layer is then deposited or bonded under vacuum on the assembly of previous resin layers so as to completely close the cavity C.
  • the silicon wafer and optionally the layer deposited form a vibrating membrane, which comprises a mobile part MV capable of vibrating under the action of an electric field and a fixed part serving as a support for the mobile part.
  • step 2 further comprises a step 2-3 in which a resin layer is deposited on the metal layer, mainly on the lower electrode and on part of the first layer of resin or previous resin layers deposited on the support wafer and structured on said metal layer and optionally on part of the previous resin layers deposited on the support wafer.
  • This resin layer has physical and chemical properties significantly different from the other deposited layers, a good quality of adhesion to the metal layer and possibly to the resin layers deposited on the support wafer, a dielectric strength greater than 500V / pm and a relative permittivity greater than 3.
  • the thickness of the resin layer deposited in resin step 2-3 is smaller than the thickness of the first resin layer and / or of the second resin layer. deposited on the wafer support.
  • the thickness of this resin layer is at least 4 ⁇ m, preferably 7 ⁇ m.
  • the layer deposited on the silicon wafer is a resin layer having good bonding properties with said resin layers deposited on the support wafer, said resin layer having a thickness at least equal to 2 ⁇ m, preferably 5 ⁇ m.
  • step 3 further comprises, before the deposition of the layer having physical and chemical properties similar or substantially different from the resin layers deposited on the support wafer, a step consisting of an oxidation thermal of the silicon wafer leading to the formation on said silicon wafer of a layer of silicon oxide, with a thickness of at least 2 ⁇ m, protecting said silicon wafer.
  • the first resin layer deposited on the support wafer is structured along a periphery slightly less than that of the lower electrode and has a thickness of the order of half the depth of the cavity, preferably 10 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • At least one of the deposited layers is insulating.
  • step 3 the deposition of the layer having physical and chemical properties similar or significantly different from the other resin layers deposited on the support wafer, on the silicon wafer is followed by 'an annealing step not leading to complete crosslinking of said layer and the crosslinking of said layer is finalized by insolation and heating after bonding with the assembly consisting of the support wafer, the metal layer and the two resin layers.
  • At least one of the layers deposited in step 2- 1, in step 2-2 and in step 3 is made of negative photosensitive resin of SU-8 type and the layer of resin deposited in step 2-3 is of AZ type positive photosensitive resin, in particular AZ9260.
  • FIG. la is a schematic representation of the various stages of the manufacturing method
  • FIG. lb is a schematic representation of an embodiment of the manufacturing method according to the invention.
  • FIG. 2 is a schematic representation of an ultrasonic capacitive electroacoustic transducer manufactured with the manufacturing method according to the invention
  • FIG. 3 is a schematic representation of another ultrasonic capacitive electroacoustic transducer manufactured with the manufacturing method according to the invention.
  • FIG. 4 is a schematic representation of one embodiment of the manufacturing method according to the invention.
  • Figure la shows the steps in the manufacturing method of the miniaturized capacitive electroacoustic transmitter according to the invention.
  • the manufactured transmitter is able to operate at high voltages above 500 V and radiate at high acoustic pressures at 1 m between 80 dB and 150 dB at a low-level activation ultrasonic frequency between 20 kHz and 110 kHz.
  • This method of manufacturing the miniaturized capacitive electroacoustic transmitter includes the following steps:
  • Step 1 on a support wafer (1) of surface S, used as a substrate, is deposited a metallic layer (10) of conductive material, in particular gold on the surface S of said support wafer (1).
  • This metallic layer (10) is structured on said surface S according to:
  • Step 2 comprises at least two subsequent intermediate steps (step 2-1, step 2-2), which are characterized by the deposition of at least two layers (21, 22) of resin, of physical properties and similar or significantly different chemicals: - Step 2-1: a layer (21) of resin is deposited on the surface S of the support wafer (1) and / or on the metal layer (10) and structured on at least part of the surface S of the support wafer ( 1) and / or on said metal layer (10) to at least partially cover said surface S of the support wafer (1) and / or said metal layer (10), and in particular the electrical track (13).
  • This resin layer (21) is a dual function layer in that it has good adhesion qualities on the support wafer (1) and / or on the metal layer (10), and a high dielectric strength in adequacy with high voltages;
  • Step 2-2 a layer (22) of resin is deposited on the layer (21) of resin and structured on the latter by forming an embedding periphery of at least one silicon wafer (30).
  • This resin layer (22) is a dual function layer in that it has good adhesion qualities on the layer (21) and a high dielectric strength in line with high voltages,
  • Said layers (21, 22) of deposited and structured resin form a set of layers (20) structured in a geometric shape so as to form a cavity C of depth L.
  • said silicon wafer (30) and optionally said layer (31) form a vibrating membrane, which comprises at least one mobile part MV capable of vibrating under the action of an electric field and a fixed part serving as a support for the mobile part.
  • the deposited layer (31) has similar or substantially different physical and chemical properties from the other resin layers (21, 22) and has good adhesion and bonding properties with said resin layers (21, 22) and the wafer. silicon (30) on which it is itself deposited. Therefore, this layer (31) is a dual function layer; its first function being to adhere to the silicon wafer (30) and to promote bonding between the silicon wafer (30) on which it is itself deposited and the assembly formed by the support wafer (1) and the layers (21, 22) resin; and its second function being to strengthen the protection of the silicon wafer (30) forming the upper electrode. Noting that, the layer (31) is in direct vis-à-vis with the layer (22).
  • the shape of the cavity C is cylindrical because this shape is easier to implement industrially.
  • the support wafer (1) is of the quartz or fused silica or borosilicate glass type or simply of glass, preferably amorphous, with an electrical resistivity of the order of 10 18 Ohm / cm at room temperature so as to avoid the related problems to leakage currents.
  • the resin layer (21) defines a receiving surface for the layer (22).
  • this resin layer (21) has a structural capacity in accordance with the role played by it as the basis for the embedding of the vibrating membrane.
  • the dielectric strength of this resin layer (21) is adequate with high voltages in the range of 500V to 4000V.
  • the thickness of the layer (21) of resin, combined with that of the layer (22), is such as to allow the deflection of the membrane in the cavity.
  • the layer (31) is a resin layer which has good adhesion and bonding properties with the resin layers (21, 22) and with the support wafer (30). It has a thickness at least equal to 2 ⁇ m, preferably 5 ⁇ m.
  • At least one of the layers (21, 22, 31), preferably all of the layers (21, 22, 31), is made of negative photosensitive resin.
  • this negative photosensitive resin has the advantage that, when it is exposed to a light source, in particular of the ultraviolet type, it crosslinks effectively.
  • At least one of the layers (21, 22, 31) is made of SU-8 type negative photosensitive resin.
  • the SU-8 type resin is a viscous polymer which can be turned or spread to a thickness of up to a few millimeters.
  • This SU-8 resin is chosen in that it exhibits interesting characteristics in terms of adhesion in particular on glass, in particular amorphous, of structural capacity and dielectric strength of around 100V / pm or more.
  • SU-8 resin after development, results in a highly polymerized structure which is very stable against chemicals and radiation.
  • the second resin layer (22) has a high dielectric strength to suit high voltages in the range of 500V to 4000V.
  • the thickness of the second layer (22) is such that the sum of the thicknesses of the layer (21) and of the second layer (22) of resin is substantially equal to the depth L of the cavity C. This makes it possible to define a intermediate reception surface for the assembly formed by the support wafer (1) and the layer (31).
  • the layer (22) has substantially the same characteristics as the layer (21) in terms of structural capacity and dielectric strength.
  • the resin layer (22) is preferably made of the same material as the resin layer (21), that is to say of SU-8 type resin.
  • the superposition of the layers (21, 22) of resin deposited in two stages according to the invention makes it possible to obtain a reasonable total resin thickness of around 40 ⁇ m. It also makes it possible to obtain a reasonable cavity depth C in a simpler and less expensive manner. This thickness as well as a dielectric strength around 100V / ⁇ m allow operation of the transmitter at high voltage in the range of 500V to 4000V.
  • - a step consisting of exposure to ultraviolet rays of the resin deposited through a photolithography mask which, in addition to the transfer of the patterns of the mask, allows the polymerization of the resin to be initiated;
  • the heating step is important because it consists of evaporating the solvent from the resin and pre-curing the layer with the objective of minimizing the stresses therein.
  • the heating can be carried out in two stages, with a first stage 65 ° C for a certain time, and a second stage at 95 ° C for a certain time, said stages being determined according to the thickness of the resin deposited. At the end of the second plateau, the temperature is gradually reduced to room temperature.
  • the SU-8 resin is exposed, through an optical mask with an inverted pattern.
  • the exposure time to the UV source depends on the thickness of the layer and the exposure dose.
  • the resin undergoes annealing to complete polymerization. This is relatively slow and controlled in order to minimize stress in the layers.
  • the development makes it possible to structure the resin layers according to a geometry defined in advance.
  • the development time depends on the thickness of the resin layer deposited.
  • the layer (31) is a resin layer
  • the latter has properties favoring bonding preferentially with a resin layer of SU-8 or other type. It has a reduced thickness to minimize the increase in the effective electrostatic gap.
  • this resin layer (31) on the silicon wafer (30) follows substantially the same procedure as the two resin layers (21, 22), except that its exposure and its final annealing follow the bonding of the silicon wafer (30) and the assembly consisting of the support wafer (1) and the layers (10, 21, 22):
  • the deposition of the resin layer (31) on the silicon wafer (30) is followed by heating which does not lead to the total crosslinking of said resin layer (31).
  • the crosslinking of the resin layer (31) is finalized by an exposure and heating after bonding with the assembly consisting of the support wafer (1) and the resin layers (21, 22) at the end of step 3 , that is to say once the bonding of the two wafers (the bonding of the assembly constituted by the support wafer (1) and the layers (10, 21, 22) with the wafer constituted by the layers (30 , 31)) is effective.
  • the thickness of the resin layer (31) is a few microns, preferably 5 ⁇ m.
  • the resin layer (31) is made of negative photosensitive resin, preferably of the SU-8 type.
  • the manufacturing method described according to the invention has already been validated by the design, manufacture and electromechanical and acoustic characterization of prototypes of transmitters.
  • step 1 and step 2 of the method according to the invention are those of FIG.
  • step 3 comprises a step consisting in thermal oxidation of the silicon wafer (30) leading to the formation on the surface of said silicon wafer (30) of a layer (32) of silicon oxide of at least 2 ⁇ m thick.
  • the silicon wafer (30) is thermally oxidized in order to modify its chemical and physical properties at the surface.
  • This heat treatment leads to the forming a silicon oxide layer on the surface of the silicon wafer (30).
  • this layer (32) is located between the silicon wafer (30) and the layer (31), which is deposited on this layer (32).
  • the main function of the layer (32) is to protect the silicon wafer (30) constituting the upper electrode to prevent partial discharges between said silicon wafer (30) and the lower electrode (11).
  • FIG. 2 illustrates a miniaturized capacitive ultrasonic electroacoustic transducer manufactured according to the manufacturing method which is the subject of the present invention.
  • This transducer comprises a support wafer (1), a silicon wafer (30) forming a vibrating membrane, a metal layer (10) (not shown) comprising a lower electrode (11), a supply pad (12) (not shown) ) and an electrical track (13) connecting said lower electrode and said supply pad (not shown), a first, a second and a third layer (21, 22, 31) of resin having a high dielectric strength.
  • the transducer further comprises a layer (32) of silicon oxide protecting the silicon wafer (30).
  • the transducer comprises a layer (24) of resin deposited on the metallic layer (10) and on a part of the layer (21) of resin or layers (21, 22) of resin.
  • This layer (24) is deposited in step 2.
  • step 2 further comprises another intermediate step hereinafter called step 2-3 consisting in depositing the layer (24) of resin on the metal layer. (10), mainly on the lower electrode (11) and at least on part of the layer (21) or layers (21, 22).
  • This deposition of the resin layer (24) is structured on said metal layer (10), in particular on the lower electrode (11) and optionally on a part of the layer (21) or of the layers (21, 22) of so as to protect said layer (10), in particular the upper electrode (11) and optionally a part of the layer (21) or of the layers (21, 22).
  • This resin layer (24) has physical and chemical properties significantly different from the other resin layers (21, 22, 31), a good quality of adhesion to the metal layer (10), a dielectric strength greater than 500V / pm and a relative permittivity greater than 3. In fact, the greater the level of dielectric strength, the smaller the thickness of the layer can be. In the case of the resin layer (24), the thickness required to withstand a voltage of 4000V is of the order of 7 ⁇ m.
  • the thickness of the resin layer (24) is conditioned by the dielectric strength of the resin considered, generally of the order of a few microns, preferably less than 10 pm. Therefore, the thickness of the resin layer (24) is smaller than the thickness of the layer (21) and / or the layer (22) of resin. It is at least 4 ⁇ m, preferably 7 ⁇ m.
  • the resin layer (24) is structured along a periphery slightly greater than that of the resin layer (21) so as to completely cover the lower electrode (11), and to cover at least partially the resin layer (21).
  • the value of the relative permittivity greater than 3 is chosen to obtain a higher electroacoustic pressure level for the same voltage level.
  • the resin layer (24) is of reversible resin, which is a positive resin having the property of changing polarity following an annealing step.
  • the resin of the layer (24) is preferably of the A Z type, in particular AZ9260.
  • This resin is chosen in that it has interesting characteristics in terms of relative permittivity greater than 3 and above all dielectric strength greater than 500 V / pm, preferably from 500 V / pm to 700 V / pm.
  • a thickness of 7 ⁇ m leads, on the one hand, to an increase in the effective electrostatic gap around 1.75 ⁇ m (acceptable value with a cavity depth of the order of 20 ⁇ m to 50 ⁇ m) and to on the other hand, at an admissible voltage level greater than 4000 V.
  • the resin layer (21) is structured along a periphery slightly less than that of the lower electrode and has a thickness of the order of half the depth L of the cavity C, i.e. a thickness of the order of 10 pm to 50 pm, preferably of the order of 10 pm to 25 pm.
  • This configuration makes it possible to at least partially cover the lower electrode (11) and to define an intermediate receiving surface for the resin layer (24) which is a protective layer of the lower electrode (11).
  • the resin layer (24) rests at least on a receiving surface of the resin layer (21) and possibly on a part of the resin layer (22).
  • this resin layer (24) rests at least partially on the resin layer (21) in order to avoid an extra thickness which is not very favorable to good bonding of the wafers.
  • the resin layer (21) has a thickness of the order of half the depth L of the cavity C, preferably 10 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the layer (31) has a thickness of at least 2 ⁇ m, preferably 5 ⁇ m.
  • at least one resin layer (21, 22, 31) is made of negative photosensitive resin of type SU-8 and the resin layer (24) is of positive photosensitive resin of type A Z .
  • step 3 comprises, in certain cases and in order to best avoid partial discharges between the silicon wafer (30) and the lower electrode (1 1), a step consisting in thermal oxidation of the silicon wafer (30) leading to the formation of the layer (32) of silicon oxide.
  • This layer (32) of deposited silicon oxide makes it possible to avoid partial discharges between the silicon wafer (30) and the lower electrode (11) according to two embodiments: (i) either as an alternative to the third resin layer (24) by protecting the silicon wafer (30) instead of the protection of the lower electrode (11) by the third resin layer (24), (ii) or as a complement to the third resin layer (24) by protecting the silicon wafer (30) in addition to protecting the lower electrode (11) by the third resin layer (24).
  • FIG. 4 refers to an embodiment of the manufacturing method according to the invention with the objective of maximum protection of all the electrical tracks and of inserting at the level of the electrode a resin having good properties in terms of dielectric strength.
  • the manufacturing steps are as follows:
  • Step 1 on a glass support wafer (1), is deposited by sputtering in particular cathode, after cleaning of said support wafer (1) by plasma and treatment of the latter with a chromium deposit of about 10 nm to facilitate structuring, a thin layer of gold (10) with a thickness of at least 200 nm.
  • This gold layer (10) is structured by lithography via a negative structuring according to a lower electrode (11), a supply pad (12) and an electrical track (13) connecting said lower electrode and said supply pad.
  • Step 2 deposition of the resin layers (20) structured in a geometric shape forming the cavity C of depth L defining the mechanical gap and in large part the electrostatic gap.
  • the deposit in this step 2 is done in several following intermediate steps:
  • Step 2-1 a layer (21) of negative photosensitive resin of SU-8 type, in particular SU8 3025 resin, is deposited on the entire wafer formed in step 1 (support wafer (1) comprising the layer metal (10)) with a thickness of about 15 ⁇ m.
  • This layer (21) of SU-8 resin is structured along a periphery slightly smaller than that of the metal layer (10), in particular on the lower electrode (11), so as to at least partially cover said metal layer (10). and in particular the electric track (13).
  • the deposition and structuring of this layer (21) of SU-8 resin is carried out by coating, rotation followed by a heating, insolation, annealing and development, each for a few minutes.
  • Step 2-2 a layer (22) of SU-8 type negative photosensitive resin, in particular SU-8 3025 or SU-8 2010 resin, is deposited on the wafer formed in step 2-1 of a thickness of about 15 ⁇ m.
  • This layer (22) of SU-8 resin is structured on the layer (21) of SU-8 resin so as to cover it while forming an embedding periphery.
  • the deposition and structuring of this layer (22) of SU-8 resin is done by coating, rotation followed by heating, exposure, annealing and development, each / each for a few minutes.
  • Step 2-3 A layer (24) of type A Z positive photosensitive resin, in particular type A Z 9260 resin, is deposited on the wafer of step 2-2 with a thickness of about 7 ⁇ m.
  • This resin layer (24) is structured at least over the entire surface of the metal layer (10) and in particular of the lower electrode (11), to cover said metal layer (10), and in particular the lower electrode (11). ).
  • the deposition and structuring of this layer (24) is done by rotation followed by heating, insolation, annealing and development, each / each for a few minutes.
  • This layer (24) is structured so as to partially cover the resin layer (21); this to ensure full coverage of the lower electrode (11).
  • step 3 further comprises, in certain cases and to avoid partial discharges between the silicon wafer (30) and the lower electrode (11) as best as possible, a step consisting of thermal oxidation of the silicon wafer (30) leading to the formation of the layer (32) of silicon oxide.
  • the manufacturing method according to the invention makes it possible to manufacture transducers operating at high voltage, since these are characterized by high performance, namely: an acoustic pressure radiated at 1 m of between 80 dB and 150 dB, an ultrasonic frequency d 'low level activation between 20 kHz and 110 kHz and a significant vibratory amplitude between 10 pm and 40 pm
  • the manufacturing method according to the invention therefore makes it possible to lift the lock according to which it is not possible to manufacture a transducer miniaturized capacitive electroacoustic operating at high voltage.

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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.

Description

MÉTHODE DE FABRICATION D’UN ÉMETTEUR ÉLECTRO ACOUSTIQUE
MINIATURISE
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 lm 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 pm.
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 pm, conduisent à des gaps électrostatiques du même ordre et légèrement supérieurs, notamment entre 20 pm et 50 pm, 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.
A 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, G 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.
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.
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.
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 lm 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 :
Etape 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 ;
Etape 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. Etape 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/pm 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 pm, de préférence 7 pm.
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 pm, de préférence 5 pm.
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 pm, 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 pm à 50 pm.
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 A Z, notamment AZ9260.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
[Fig. la] est une représentation schématique des différentes étapes de la méthode de fabrication ;
[Fig. lb] est une représentation schématique d’un mode de réalisation de la méthode de fabrication selon l’invention ;
[Fig. 2] est une représentation schématique d’un transducteur électroacoustique capacitif ultrasonore fabriqué avec la méthode de fabrication selon l’invention ;
[Fig. 3] est une représentation schématique d’un autre transducteur électroacoustique capacitif ultrasonore fabriqué avec la méthode de fabrication selon l’invention ;
[Fig. 4] est une représentation schématique d’un mode de réalisation de la méthode de fabrication selon l’invention.
La figure la 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 :
Etape 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.
Etape 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,
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. Etape 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 1018 Ohm/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 pm, de préférence 5 pm.
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/pm 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 aune 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. Etant 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 pm. Elle permet aussi d’obtenir une profondeur de cavité C raisonnable de manière plus simple et moins coûteuse. Cette épaisseur ainsi qu’une rigidité diélectrique autour de 100V/pm 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.
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).
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 pm. 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 cette 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 lb, l’étape 1 et l’étape 2 de la méthode selon l’invention sont ceux de la figure la. 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 pm 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/pm 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 pm.
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 lOpm. 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 pm, de préférence 7 pm.
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 A Z, 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/pm, de préférence de 500 V/pm à 700 V/pm. Ainsi, une épaisseur de 7 pm par exemple conduit d’une part, à une augmentation du gap électrostatique effectif autour de 1,75 pm (valeur acceptable avec une profondeur de cavité de l’ordre de 20 pm à 50 pm) 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 pm à 50 pm, de préférence de l’ordre de 10 pm à 25 pm. 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 pm à 50 pm. La couche (31) a une épaisseur au moins égale à 2 pm, de préférence 5 pm. 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 A Z.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention, comme dans la figure lb, l’étape 3 comprend, dans certains cas et pour éviter au mieux les décharges partielles entre le wafer silicium (30) et l’électrode inférieure (1 1), 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 pm. 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 pm. 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 A Z, notamment de résine de type A Z 9260, sur le wafer de l’étape 2-2 d’une épaisseur d’environ 7 pm. 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 pm. 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 pm et 40 pm 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

REVENDICATIONS
1) 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 lm 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), 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 : 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 :
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,
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) déposée ou collée 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.
2) 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/pm et une permittivité relative supérieure à 3.
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 pm, de préférence 7 pm.
4) 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 pm, de préférence 5 pm.
5) 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 pm, protégeant ledit wafer silicium (30). 6) 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 pm à 50 pm.
7) 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.
8) 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).
9) 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 A Z, notamment AZ9260.
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