EP1508198A1 - Procede de realisation de structure de microsysteme a entrefers lateraux et structure de microsysteme correspondante - Google Patents

Procede de realisation de structure de microsysteme a entrefers lateraux et structure de microsysteme correspondante

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Publication number
EP1508198A1
EP1508198A1 EP03740599A EP03740599A EP1508198A1 EP 1508198 A1 EP1508198 A1 EP 1508198A1 EP 03740599 A EP03740599 A EP 03740599A EP 03740599 A EP03740599 A EP 03740599A EP 1508198 A1 EP1508198 A1 EP 1508198A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
sacrificial layer
freedom
layer
structural element
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03740599A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Dominique Collard
Andreas Kaiser
Emmanuel Quevy
Lionel Buchaillot
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP1508198A1 publication Critical patent/EP1508198A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00134—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising flexible or deformable structures
    • B81C1/0015—Cantilevers
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
    • H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
    • H03H3/0072—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks of microelectro-mechanical resonators or networks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2201/00—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems
    • B81C2201/01—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate
    • B81C2201/0101—Shaping material; Structuring the bulk substrate or layers on the substrate; Film patterning
    • B81C2201/0102—Surface micromachining
    • B81C2201/0105—Sacrificial layer
    • B81C2201/0109—Sacrificial layers not provided for in B81C2201/0107 - B81C2201/0108

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a microsystem with lateral air gaps and the corresponding microsystem structures.
  • the current technologies for implementing silicon microsystem structures with lateral air gaps relate to the construction of silicon microsystem structures in which the mechanical characteristics of the structures attached to a substrate, constituting these microsystem structures, are essential, in the extent to which the above mechanical characteristics are decisive for the definition of functional, electromechanical characteristics, of components incorporating the latter.
  • the air gap is produced by the oxidation of a polysilicon element.
  • the production of the electrodes requires the use of electrolytic deposition of gold.
  • the smallest air gap obtained using this process is currently 100 nm.
  • the aforementioned process requires particular architectures for the positioning of the electrodes and requires, among other things, connection pads and an additional source of electrical voltage.
  • the aforementioned technologies require the implementation of significantly thicker layer structures, in order to obtain satisfactory stability of the mobile structures, vis-à-vis the assembly.
  • These relatively large thicknesses systematically translate into an increase in the minimum lateral dimensions, orthogonal to the thickness dimension, implemented in the context of the abovementioned microsystem structure manufacturing technologies.
  • all the processes implemented within the framework of these technologies have a substantially constant form factor, the form factor being defined as the ratio between the minimum lateral dimensions and the thickness of the attached structures used to form these microsystem structures.
  • the mobile attached structures are actuated by electrostatic transduction, to produce filters, resonators or the like.
  • Optimizing the transduction efficiency, and thereby improving the performance of the microsystem structures used requires obtaining lateral air gaps separating a mobile added structure from one or more fixed added structures or mobile, in a direction substantially parallel to the substrate, as narrow as possible.
  • the object of the present invention is to solve the problem posed by the existence of the aforementioned incompatibility.
  • an object of the present invention is the implementation of a method for producing microsystem structures with lateral air gaps, the air gap width of which is substantially independent of the thickness of the layers making up the added structures and the precision of the etching processes of these layers implemented for the production of these added structures.
  • another object of the present invention due to the aforementioned independence, is the implementation of a method for producing microsystem structures with lateral gaps of extremely reduced width.
  • Another object of the present invention is also the implementation of microsystem structures comprising structures attached to a substrate, comprising at least one movable attached structure, the lateral air gap separating this movable attached structure from any other added structure having a dimension line density less than 0.1 ⁇ m.
  • the process for producing lateral air gaps between structures added to the surface of a support substrate of a microsystem structure, object of the present invention applies to the creation of added structures comprising at least one movable added structure, having two degrees of freedom relative to the substrate, a first degree of freedom in a direction substantially perpendicular to the substrate and a second degree of freedom in a direction substantially parallel to the substrate and to the direction of the air gaps.
  • the microsystem structure, object of the present invention comprises structures attached to a substrate, one of the attached structures, mobile structure, having two degrees of freedom relative to this substrate, a first degree of freedom in a substantially perpendicular direction to the substrate and a second degree of freedom in a direction substantially parallel to the substrate. At least one of the other attached structures is fixed and mechanically integral with the substrate.
  • the lateral air gap has, in the direction of the second degree of freedom, a linear dimension of less than 0.1 ⁇ m.
  • microsystem method and structure which are the subject of the present invention find application in the microsystems industry and technology, in particular for the manufacture of resonators, electromechanical filters, or, more generally, electromechanical components incorporating the latter.
  • FIG. 1a shows, by way of illustration, a diagram of implementation of successive steps of the method which is the subject of the present invention
  • FIG. 1b shows, by way of illustration, a diagram of implementation of successive steps of a variant of the method which is the subject of the invention, in which the essential steps are applied to a blank of microelectronic structure, for setting implemented on an industrial scale for example
  • - Figure 2 shows, by way of illustration, a detailed example of implementation of steps of the method which is the subject of the invention in the variant implementation illustrated in Figure 1b
  • - Figure 3 shows, by way of illustration, a perspective view of a microsystem structure according to the object of the present invention
  • FIG. 4 shows, by way of illustration, a representation of the topography of a microresonator with lateral vibrating beam incorporating a microsystem structure according to the object of the present invention, as shown in Figure 3;
  • FIG. 5 represents, by way of illustration, a representation of the topography of a Lamé mode microresonator incorporating a microsystem structure in accordance with the object of the present invention, represented in FIG. 3.
  • the object of the present invention process is to provide lateral air gaps between structures reported on the surface of the support substrate.
  • attached structure is meant any mechanical and / or electromechanical structure, such as vibrating mass, electrode and / or wall fixed relative to the substrate, formed on the latter to constitute the aforementioned microelectronic structure.
  • These added structures comprise at least one mobile added structure, which is intended to form the vibrating part of a resonator or of a filter for example, this mobile added structure having two degrees of freedom relative to the substrate.
  • this mobile added structure having two degrees of freedom relative to the substrate.
  • the aforementioned mobile structure is deemed to have a first degree of freedom in a direction substantially perpendicular to the substrate or, more particularly, orthogonal to the surface of the substrate on which the structures are attached, and a second degree of freedom in a direction substantially parallel to the substrate or to the free surface of the latter and, thus, to the direction of the lateral air gaps.
  • FIG. 1a it is indicated that the aforementioned mobile structure is deemed to have a first degree of freedom in a direction substantially perpendicular to the substrate or, more particularly, orthogonal to the surface of the substrate on which the structures are attached, and a second degree of freedom in a direction substantially parallel to the substrate or to the free surface of the latter and, thus, to the direction of the lateral air gaps.
  • the process which is the subject of the present invention consists in depositing or forming, on the surface of the substrate S, a first sacrificial layer, denoted CSi, of determined thickness .
  • the substrate is a silicon substrate although the method which is the subject of the present invention is not limited to the implementation on a silicon substrate.
  • the first sacrificial layer may consist of a layer of silicon oxide formed by oxide growth, the growth process being represented by the vertical arrow, oriented in the aforementioned second direction YY.
  • Step a) can then be followed by a step b) consisting of forming, on the first sacrificial layer CS ⁇ a structural element, denoted SE, intended to constitute the mobile attached structure, for example, having two degrees of freedom.
  • a structural element denoted SE
  • One of the faces of the structural element SE is in contact with the first sacrificial layer CS-i.
  • the structural element SE can be formed, as shown in an illustrative manner in FIG. 1a, by deposition of a specific layer of a determined material, such as polysilicon or the like, this layer being shown in dotted lines at the point b) of FIG. 1a, then etching by masking allowing the abovementioned structural element SE to appear.
  • step c) in covering the free surface of the structural element SE with a second sacrificial layer, denoted CS 2 , of determined thickness, this thickness being chosen to be substantially equal to the linear dimension of the lateral air gaps to be created.
  • step c) can be carried out by growth of a layer of silicon oxide at the same time on the surface free upper of the structural element SE and, of course, on the free lateral surface of the latter.
  • Step c) is then followed by a step d) consisting of covering the free part of the first sacrificial layer CSi and the free surface of the second sacrificial layer CS 2 orthogonal to the air gap direction of a layer of specific material, denoted SM, intended to constitute at least one other structure added under the conditions which will be explained below.
  • a layer of specific material denoted SM
  • the aforementioned operation consists, in fact, in ensuring a planarization of the assembly, only, preferably, the second sacrificial layer CS 2 , at the level of the upper part. thereof, which can be left free and not covered by the aforementioned specific material SM.
  • Step d) is then followed by a step e) consisting in etching the second sacrificial layer CS 2 extending in the direction of the second and first degree of freedom and, of course, in a direction orthogonal to the plane of the sheet representing the drawing, in order to reach the first sacrificial layer CSi via the free air gaps and then etching the first sacrificial layer CSi extending in the direction of the first and second degrees of freedom under the structural element SE and under the layer of specific material SM.
  • This operation makes it possible to release, at least partially, as shown in FIG.
  • the structural element SE from any contact in the direction of the first, respectively of the second degree of freedom YY, XX and therefore in the direction of the air gaps with respect to, on the one hand, any other adjacent attached structure constituted by the specific material SM, and, of course, of the substrate S.
  • the etching attack of the first sacrificial layer CS-i makes it possible to free up a space corresponding to the thickness of this sacrificial layer under the structural element SE, on the one hand, and, partially , under the layer of specific material SM, this free space being noted ⁇ in point e) of FIG. 1a.
  • the thickness e of the second sacrificial layer CS 2 can be adjusted directly by the choice of the parameters of the process for forming the second sacrificial layer and, in particular, of the oxidation process when this sacrificial layer is produced by silicon oxide.
  • the abovementioned parameters relate not only to the physical oxidation parameters of the polysilicon constituting the abovementioned structural element SE, but also to the time of formation of the silicon oxide obtained forming the second sacrificial layer CS 2 .
  • the second sacrificial layer can be generated so as to have a determined thickness of less than 0.1 ⁇ m.
  • the blank as shown in FIG. 1 b comprises the substrate S covered with the first sacrificial layer SCi and the structural element SE formed on this first sacrificial layer, intended to constitute an attached movable structure having the two degrees of freedom.
  • One of the faces of the structural element SE is in contact with the first sacrificial layer CS-i.
  • the first sacrificial layer CSi and the second sacrificial layer CS 2 are made of materials of substantially the same nature.
  • the substrate S is a silicon substrate and the structural element SE is made of polysilicon
  • the first and the second sacrificial layers are advantageously constituted by silicon oxide.
  • the etching step of the second sacrificial layer CS 2 , then of the first sacrificial layer CS-i can be carried out in a substantially continuous manner, by isotropic etching for example, only the conditions of the attack, that is to say the attack speed, and etching speed for example, which can be modulated according to certain specificities of the process.
  • the operation of depositing or forming on the latter of the first sacrificial layer CSi advantageously consists in growing, by oxidation, a layer of silicon oxide of determined thickness, this thickness possibly being of the order of a few micrometers, in order to constitute the released area, denoted ⁇ in point e) of FIG. 1a or 1b.
  • the specific material SM intended to constitute at least one other added structure, can be constituted by the most diverse materials such as polysilicon, a metal to constitute an electrode, a silicon compound, an epoxy resin or the like.
  • the added structure or structures adjacent to the structural element SE intended to constitute the mobile structure since they are separated from the latter by the aforementioned lateral air gaps, can themselves be fixed or, where appropriate, mobile .
  • FIG. 2 A detailed description of an industrial implementation of the process which is the subject of the present invention, as illustrated in FIG. 1 b, will now be given in conjunction with FIG. 2.
  • the same step references represent the same steps as those described previously with respect to FIG. 1b or 1a, the different indices associated with these step references designating particular substeps. It will thus be understood that, from a blank similar to that shown in FIG. 1b, the method which is the subject of the invention described implements the succession of the three stages c), d) and e).
  • step d) of FIG. 1a or 1b Several techniques can however be used for the implementation of the intermediate structure shown in step d) of FIG. 1a or 1b, for example. It will be recalled, in particular, that the aforementioned step corresponds to a process of deposition and planarization of the structure adjacent to the structural element SE, adjacent structure intended to constitute the fixed electrode for example.
  • the last aforementioned technique is the most general, because it is applicable whatever the thickness ep-i of the movable structural element SE and the thickness ep 2 of the layer, denoted SM-i, intended to make the other adjacent attached structure, fixed structure such as an electrode for example.
  • a blank is considered, as described above in the description, comprising a first layer of structural material, of thickness ei, intended to form the structural element SE and situated above the first sacrificial layer CS-i.
  • the structural elements, such as SE are then defined by a first photolithography and etching. This definition is carried out using a thick mask of silicon oxide which is subsequently stored and which makes it possible to obtain the blank, as shown in FIG. 1b or 2, the aforementioned blank being however limited to the definition of a single SE structural element.
  • the thick mask of silicon oxide is denoted OM and is superimposed on the structural element SE.
  • step c) is implemented, in accordance with the step shown in Figure 1b for example.
  • Step d) is then carried out and, as shown in FIG. 2, by depositing a second structural layer of thickness ep 2 , in a sub-step di), so as to form a conformal covering of the assembly and, in particular, of the structural element SE and of the second sacrificial layer CS 2 .
  • This second structural layer is designated SM-i.
  • This operation is shown in step di) of Figure 2a.
  • the assembly is then protected by depositing a sufficiently thick resin forming a protective layer to substantially cover the height of the steps obtained in sub-step di), this operation being represented in sub-step d 2 ) and corresponding to an operation planarization of the second level of structural material.
  • the resin is denoted SM 2 , in point d 2 ) of FIG. 2. It is understood, in particular, that sub-step d 2 ) allows a first planarization in the sense that the step height is substantially reduced the first time.
  • the next step corresponds substantially to the etching and etching step, step e) of Figure 1b or 1a.
  • the protective layer of thick resin is etched so as to make an opening on the structural material SMi only at the places where there is an overlap of structural elements, that is to say of the structural element SE.
  • the second structural level SMi is planarized until touching with silicon oxide, that is to say the thick mask d silicon oxide OM located above the structural element SE.
  • the aforementioned thick mask, formed by silicon oxide, serves as an indicator for the end of the attack represented in point e 2 ) of FIG. 2.
  • Sub-step e 2 ) is then followed by a sub-step e 3 ) in which the protective layer, that is to say the material SM 2 , is removed in step e 3 ) , and the material SMi is then defined as an added element forming the other added elements by a second step of photolithography by masking and etching.
  • the other reported elements are represented in FIG. 2 in step e 3 ).
  • the structural element SE intended to form the mobile element is then separated from the other elements added by selective etching of the thick mask of silicon oxide OM, of the sacrificial layer CS 2 , then of the sacrificial layer CS-i, as well as described previously in connection with FIG. 1b or 1a, by releasing a mobile structure, the SE structure, separated from a nanometric lateral air gap, of width d g with respect to an adjacent structure serving as an electrode, thus that, for example, represented in sub-step e) of FIG. 2.
  • the method which is the subject of the invention therefore implements only the two masking levels described above, and means of lithography at medium resolution, that is that is to say at a resolution greater than 1 ⁇ m.
  • the process which is the subject of the present invention is, of course, applicable to any number of structural levels in the context of other applications. It thus makes it possible to produce lateral airgaps whose gap gap is between 10 nm to 1 ⁇ m, for thicknesses of material varying, independently of the value of the chosen gap, from 100 nm to 15 ⁇ m.
  • microsystem structures can be implemented to produce microsystem components of all types, as will be described later in the description.
  • any microsystem structure in accordance with the object of the present invention comprises, among the structures added to the substrate S, at least one added structure, constituting a mobile structure, the structural element SE .
  • This structural element has two degrees of freedom relative to the substrate S in the directions XX and YY previously mentioned in the description.
  • At least one of the other added structures SM is fixed and mechanically integral with the substrate S.
  • it comprises an intermediate layer CSi ensuring the mechanical connection between the substrate S and the added structures SE, SM, the intermediate layer CSi being etched and removed, at least partially, between at least one of the added structures, in particular, the structural element SE constituting the mobile structure, and the substrate S and , where appropriate, at least in part, one or other of the mobile structures SM and the substrate S.
  • the microsystem structure which is the subject of the present invention comprises at least one lateral gap separating the mobile structure, that is to say the structural element SE, of the other structures reported in the direction of the second degree of freedom, the direction XX p recited.
  • the intermediate layer CS ⁇ i is a sacrificial layer having a determined thickness of between 1 and 10 ⁇ m for example.
  • sacrificial layer it is recalled that it is a layer capable of being attacked and etched by chemical attack for example.
  • FIGS. 4 and 5 Two examples of specific implementation of microsystems from microsystem structures in accordance with the object of the present invention, as represented in FIG. 3, will now be given in connection with FIGS. 4 and 5.
  • FIG. 4 we shows a vibrating beam microresonator obtained through the use of a microsystem structure, as shown in FIG. 3.
  • the vibrating beam VB is subjected to the substrate by a first and a second anchoring, denoted ANCi and ANC 2 .
  • a first and a second lateral air gap are each formed between a lateral edge of the vibrating beam VB and the lateral edge of a first, respectively of a second electrode, denoted Ei, E 2 .
  • the lateral air gaps are denoted ei and e 2 .
  • the microresonator with embedded vibrating beam as shown in FIG. 4, was implemented with the following dimensions: - length: 30 ⁇ m,
  • the Lamé mode microresonator comprises a microsystem structure, such as shown in Figure 3, according to the object of the present invention.
  • This microsystem structure has symmetry with respect to a center of symmetry, denoted C, materialized by the intersection of an axis YY 'orthogonal to the surface of the substrate S. It comprises a substantially square vibrating plate VP, the center of symmetry C being located in the center of the plate, this plate being anchored to the substrate S via the layer intermediate by its vertices, the anchor points being noted ANCi, ANC 2 , ANC 3 and ANC 4 .
  • Lamé comprises four lateral air gaps each formed between one of the lateral edges of the vibrating plate VP and the adjacent edge of a lateral electrode denoted Ei, E 2 , E 3 , E 4 and associated with one of the lateral edges of the vibrating plate
  • the lateral air gaps are noted e, e 2 , e 3 and e 4 .
  • the vibrating plate VP had a lateral edge or side of length of approximately 35 ⁇ m in length.
  • microresonator with embedded vibrating beam or microresonator in Lamé mode as represented in FIGS. 4 and 5, the values of lateral air gaps previously mentioned had a value substantially equal to 80 nm.
  • the process which is the subject of the present invention allows the implementation of particularly efficient microsystem structures in which the lateral air gaps are much less than 1 ⁇ m and, in particular, 0.1 ⁇ m.
  • any type of component can be implemented from the aforementioned microsystem structures.
  • SOI Silicon On Insulator
  • the substrate is made of monocrystalline silicon and the SOI insulation oxide constitutes the first sacrificial layer CS-i.
  • the targeted applications relate to positioning systems having a few nanometers of precision, the gripping of objects of nanometric scope, zero-polarization resonators and very high frequency resonators, designated nanoresonators.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de réalisation de structure de microsystème à entrefers latéraux et la structure de microsystème correspondante. Selon ce procédé, on dépose a) sur le substrat (S) une première couche sacrificielle (CS1) et on forme b) sur celle-ci un élément structurel (SE), structure rapportée, destiné à former une structure rapportée mobile à deux degrés de liberté (YY, XX). On recouvre (c) la surface libre de l'élément structurel (SE) d'une deuxième couche sacrificielle d'épaisseur e = dg égale à la dimension linéique d'entrefer. On recouvre d) la première (CS1) et la surface libre de la deuxième (CS2) couche sacrificielle d'une couche de matériau (SM) destinée à former une autre structure rapportée et on attaque e) par gravure la deuxième couche sacrificielle (CS2), puis la première couche sacrificielle (CS1) de manière à libérer, au moins partiellement, l'élément structurel (SE) de tout contact dans la direction du premier et deuxième degré de liberté, vis-à-vis de toute autre structure rapportée et du substrat (S) pour engendrer des entrefers latéraux de largeur sensiblement égale à l'épaisseur de la couche sacrificielle (CS2). Application à la fabrication de structures de microsystème et de composants incorporant celles-ci.

Description

Procédé de réalisation de structure de microsystème à entrefers latéraux et structure de microsystème correspondante.
L'invention concerne un procédé de réalisation de structure de microsystème à entrefers latéraux et les structures de microsystème correspondantes.
Les technologies actuelles de mise en œuvre de structures de microsystème en silicium à entrefers latéraux ont pour objet la construction de structures de microsystème en silicium dans lesquelles les caractéristiques mécaniques des structures rapportées sur un substrat, constitutives de ces structures de microsystème, sont primordiales, dans la mesure où les caractéristiques mécaniques précitées sont déterminantes pour la définition de caractéristiques fonctionnelles, électromécaniques, de composants incorporant ces dernières.
C'est en particulier le cas pour ce qui concerne la réalisation de filtres ou résonateurs électromécaniques incorporant de telles structures de microsystème. Parmi les techniques précitées connues actuellement, ayant pour objet l'obtention de structures résonantes en hautes fréquences, on peut retenir deux processus spécifiques.
Un premier processus décrit par W.T. Hsu et al dans l'article intitulé
"A sub-micron capacitive gap process for multiple métal électrode latéral micromechanical resonators", Technical Digest, 14th International IEEE Electro
Mechanical Systems Conférence, Interlaken, Switzerland, Jan. 22-25, 2002, pp. 349-352, est basé sur un processus de micro-usinage de couches minces.
La réalisation de l'entrefer est effectuée au moyen de l'oxydation d'un élément de polysilicium. Toutefois, la réalisation des électrodes nécessite l'utilisation de dépôt électrolytique d'or. Le plus petit entrefer obtenu à l'aide de ce processus est actuellement de 100 nm.
Ce processus présente l'inconvénient de nécessiter, d'une part, la superposition de nombreux masques et d'étapes technologiques complexes alors que, d'autre part, les structures finalement obtenues ont des dimensions minimales limitées par le procédé de moulage ce qui introduit des restrictions dans la géométrie des structures réalisables. Un deuxième processus décrit par D. Galayko et al dans l'article intitulé "High frequency high-Q micromechanical resonator in thick epipolytechnology with post-process gap adjustment", Technical Digest, 15th International IEEE Micro Electro Mechanical Systems Conférence, Las Vegas, U.S.A., Jan. 21-24, 2002, pp. 665-668 est basé sur l'utilisation de l'actionnement, après libération des éléments structurels mobiles, d'une électrode mobile rapprochée en butée d'une poutre résonante.
Le processus précité permet d'atteindre une valeur d'entrefer de l'ordre de 0,2 μm. Toutefois, la valeur minimale d'entrefer reste dépendante de la précision latérale de la lithographie et de la gravure des couches structurelles. En conséquence, des valeurs d'entrefer inférieures à 0,2 μm peuvent difficilement être atteintes.
En outre, le processus précité impose des architectures particulières pour le positionnement des électrodes et nécessite, entre autre, des plots de connexion et une source de tension électrique supplémentaires.
Enfin, un troisième processus de réduction d'entrefers verticaux a été décrit par K. Wang et al "VHF free-free beam high-Q micromechanical resonator", Technical Digest, 12th International IEEE Micro Electro Mechanical Systems Conférence, Orlando, U.S.A., Jan. 17-21 , 1999, pp. 453-458. Dans le processus précité, un résonateur suspendu à des poutres flexibles est attiré verticalement vers le substrat, orthogonalement à la face du substrat par une électrode enterrée, cette électrode servant en outre d'électrode de transduction. L'entrefer correspondant peut être réduit de 1 ,5 μm jusqu'à 0,3 à 0,5 μm. L'utilisation de ce processus est limitée aux résonateurs à excitation et entrefer vertical, et, en raison de l'utilisation d'une électrode enterrée, aux applications aux technologies à couches minces, des niveaux de tension trop importants étant nécessaires sinon.
Comparativement aux technologies de micro-électronique classique, les technologies précitées nécessitent la mise en œuvre de structures en couches significativement plus épaisses, afin d'obtenir une stabilité satisfaisante des structures mobiles, vis-à-vis de l'ensemble. Ces épaisseurs, relativement importantes, se traduisent systématiquement par une augmentation des dimensions latérales minimales, orthogonales à la dimension d'épaisseur, mises en œuvre dans le cadre des technologies de fabrication de structures de microsystème précitées. En particulier, tous les processus mis en œuvre dans le cadre de ces technologies sont à facteur de forme sensiblement constant, le facteur de forme étant défini comme le rapport entre les dimensions latérales minimales et l'épaisseur des structures rapportées mises en œuvre pour constituer ces structures de microsystème. Dans la majorité des applications actuelles de ces structures de microsystème et dans celles raisonnablement envisageables à échéance moyenne, les structures rapportées mobiles sont actionnées par transduction électrostatique, pour réaliser des filtres, des résonateurs ou autres.
L'optimisation de l'efficacité de transduction, et, par là même, l'amélioration des performances des structures de microsystème mises en œuvre nécessitent l'obtention d'entrefers latéraux séparant une structure rapportée mobile d'une ou plusieurs structures rapportées fixes ou mobiles, dans une direction sensiblement parallèle au substrat, les plus étroits possibles.
Pour cette raison, une incompatibilité manifeste apparaît entre la nécessité de structures mécaniques rapportées épaisses et l'efficacité de la transduction électrostatique.
La présente invention a pour objet de résoudre le problème posé par l'existence de l'incompatibilité précitée.
En conséquence, un objet de la présente invention est la mise en œuvre d'un procédé de réalisation de structures de microsystème à entrefers latéraux dont la largeur d'entrefer est sensiblement indépendante de l'épaisseur des couches constitutives des structures rapportées et de la précision des processus de gravure de ces couches mis en œuvre pour la réalisation de ces structures rapportées. En particulier, un autre objet de la présente invention, en raison de l'indépendance précitée, est la mise en œuvre d'un procédé de réalisation de structures de microsystème à entrefers latéraux de largeur extrêmement réduite. Un autre objet de la présente invention est également la mise en œuvre de structures de microsystème comprenant des structures rapportées sur un substrat, comportant au moins une structure rapportée mobile, l'entrefer latéral séparant cette structure rapportée mobile de toute autre structure rapportée présentant une dimension linéique inférieure à 0,1 μm.
Le procédé de réalisation d'entrefers latéraux entre structures rapportées en surface d'un substrat support d'une structure de microsystème, objet de la présent invention, s'applique pour la création de structures rapportées comportant au moins une structure rapportée mobile, présentant deux degrés de liberté par rapport au substrat, un premier degré de liberté dans une direction sensiblement perpendiculaire au substrat et un deuxième degré de liberté dans une direction sensiblement parallèle au substrat et à la direction des entrefers.
Il est remarquable en ce qu'il consiste à déposer, sur la surface du substrat, une première couche sacrificielle d'épaisseur déterminée, à former, sur la première couche sacrificielle, un élément structurel destiné à constituer la structure rapportée mobile présentant deux degrés de liberté, l'une des faces de cet élément structurel étant en contact avec la première couche sacrificielle, à recouvrir la surface libre de cet élément structurel d'une deuxième couche sacrificielle, d'épaisseur sensiblement égale à la dimension linéique des entrefers latéraux, à recouvrir la partie libre de cette première couche sacrificielle et la surface libre de cette deuxième couche sacrificielle orthogonale à la direction d'entrefer d'une couche de matériau spécifique destinée à constituer au moins une autre structure rapportée et à attaquer par gravure la deuxième couche sacrificielle s'étendant dans la direction du deuxième et du premier degré de liberté, puis la première couche sacrificielle s'étendant dans la direction du premier et du deuxième degré de liberté, sous l'élément structurel et sous la couche de matériau spécifique, de manière à libérer, au moins partiellement, cet élément structurel de tout contact dans la direction du premier respectivement du deuxième degré de liberté et des entrefers vis-à-vis de l'autre structure rapportée et du substrat. Ceci permet d'engendrer des entrefers latéraux de largeur sensiblement égale à l'épaisseur de la deuxième couche sacrificielle. La structure de microsystème, objet de la présente invention, comprend des structures rapportées sur un substrat, l'une des structures rapportées, structure mobile, présentant deux degrés de liberté par rapport à ce substrat, un premier degré de liberté dans une direction sensiblement perpendiculaire au substrat et un deuxième degré de liberté dans une direction sensiblement parallèle au substrat. L'une au moins des autres structures rapportées est fixe et mécaniquement solidaire du substrat.
Elle est remarquable en ce qu'elle comporte une couche intermédiaire assurant la liaison mécanique entre le substrat et les structures rapportées, cette couche intermédiaire étant gravée et supprimée, au moins partiellement, entre l'une des structures rapportées constituant cette structure mobile et le substrat et au moins un entrefer latéral séparant cette structure mobile de l'une des autres structures rapportées dans la direction du deuxième degré de liberté. L'entrefer latéral présente, dans la direction du deuxième degré de liberté, une dimension linéique inférieure à 0,1 μm.
Le procédé et la structure de microsystème objets de la présente invention trouvent application à l'industrie et à la technologie des microsystèmes, en particulier pour la fabrication de résonateurs, de filtres électromécaniques, ou, plus généralement, de composants électromécaniques incorporant ces derniers.
Ils seront mieux compris à la lecture de la description et à l'observation des dessins ci-après dans lesquels :
- la figure 1a représente, à titre illustratif, un schéma de mise en œuvre d'étapes successives du procédé objet de la présente invention ; - la figure 1 b représente, à titre illustratif, un schéma de mise en œuvre d'étapes successives d'une variante du procédé objet de l'invention, dans laquelle les étapes essentielles sont appliquées à une ébauche de structure microélectronique, pour une mise en œuvre à l'échelle industrielle par exemple ; - la figure 2 représente, à titre illustratif, un exemple détaillé de mise en œuvre d'étapes du procédé objet de l'invention dans la variante de mise en œuvre illustrée en figure 1b ; - la figure 3 représente, à titre illustratif, une vue en perspective d'une structure de microsystème conforme à l'objet de la présente invention ;
- la figure 4 représente, à titre illustratif, une représentation de la topographie d'un microrésonateur à poutre vibrante latérale incorporant une structure de microsystème conforme à l'objet de la présente invention, telle que représentée en figure 3 ;
- la figure 5 représente, à titre illustratif, une représentation de la topographie d'un microrésonateur à mode de Lamé incorporant une structure de microsystème conforme à l'objet de la présente invention, représentée en figure 3.
Une description plus détaillée du procédé de réalisation d'entrefers latéraux entre structures rapportées en surface d'un substrat d'une structure de microsystème et d'une structure microsystème correspondante, conformes à l'objet de la présente invention, sera maintenant donnée en liaison avec la figure 1a et les figures suivantes.
D'une manière générale, on rappelle que le procédé objet de la présente invention a pour objet de réaliser des entrefers latéraux entre structures rapportées en surface du substrat support. Par structure rapportée, on entend toute structure mécanique et/ou électromécanique, telles que masse vibrante, électrode et/ou paroi fixe par rapport au substrat, formée sur ce dernier pour constituer la structure microélectronique précitée.
Ces structures rapportées comportent au moins une structure rapportée mobile, laquelle est destinée à former la partie vibrante d'un résonateur ou d'un filtre par exemple, cette structure rapportée mobile présentant deux degrés de liberté par rapport au substrat. En référence à la figure 1a, on indique que la structure mobile précitée est réputée comporter un premier degré de liberté dans une direction sensiblement perpendiculaire au substrat ou, plus particulièrement, orthogonale à la surface du substrat sur laquelle les structures sont rapportées, et un deuxième degré de liberté dans une direction sensiblement parallèle au substrat ou à la surface libre de ce dernier et, ainsi, à la direction des entrefers latéraux. Sur la figure 1a, au point a) de celle-ci, on a représenté la direction XX constituant la direction du deuxième degré de liberté et la direction YY, perpendiculaire à cette dernière, constituant la direction du premier degré de liberté, le substrat S étant vu de face et la surface libre de ce dernier étant, ainsi, orthogonale au plan de la feuille représentative du dessin.
En référence à la figure 1a précitée, au point a) de celle-ci, le procédé objet de la présente invention consiste à déposer ou à former, sur la surface du substrat S, une première couche sacrificielle, notée CSi, d'épaisseur déterminée. D'une manière générale, on indique que le substrat est un substrat de silicium bien que, le procédé objet de la présente invention, ne soit pas limité à la mise en œuvre sur un substrat de silicium. Dans ces conditions, la première couche sacrificielle peut être constituée par une couche d'oxyde de silicium formée par croissance d'oxyde, le processus de croissance étant représenté par la flèche verticale, orientée dans la deuxième direction YY précitée.
L'étape a) peut alors être suivie d'une étape b) consistant à former, sur la première couche sacrificielle CS^ un élément structurel, noté SE, destiné à constituer la structure rapportée mobile, par exemple, présentant deux degrés de liberté. L'une des faces de l'élément structurel SE est en contact avec la première couche sacrificielle CS-i. De manière classique, l'élément structurel SE peut être formé, ainsi que représenté de manière illustrative sur la figure 1a, par dépôt d'une couche spécifique en un matériau déterminé, tel que le polysilicium ou autre, cette couche étant représentée en pointillés au point b) de la figure 1a, puis gravure par masquage permettant de faire apparaître l'élément structurel SE précité.
D'une manière générale, on indique que les étapes a) et b) précitées correspondent à la mise en œuvre d'étapes classiques dans le domaine des processus de technologie de couches minces ou épaisses et que, pour cette raison, ces étapes ne seront pas décrites plus en détail.
Suite aux étapes a) et b) précitées, le procédé objet de l'invention consiste, à l'étape c), à recouvrir la surface libre de l'élément structurel SE d'une deuxième couche sacrificielle, notée CS2, d'épaisseur déterminée, cette épaisseur étant choisie sensiblement égale à la dimension linéique des entrefers latéraux à créer. A titre d'exemple non limitatif, on indique que, lorsque l'élément structurel SE est constitué en polysilicium par exemple, l'étape c) peut être réalisée par croissance d'une couche d'oxyde de silicium à la fois sur la surface supérieure libre de l'élément structurel SE et, bien entendu, sur la surface latérale libre de ce dernier.
Le choix de l'épaisseur de la couche sacrificielle CS2 à la valeur de l'entrefer est noté par la relation e = dg où e représente l'épaisseur de la couche d'oxyde et dg la valeur de la dimension linéique de l'entrefer dans la direction du deuxième degré de liberté XX sensiblement parallèle au substrat S. L'étape c) est alors suivie d'une étape d) consistant à recouvrir la partie libre de la première couche sacrificielle CSi et la surface libre de la deuxième couche sacrificielle CS2 orthogonale à la direction d'entrefer d'une couche de matériau spécifique, notée SM, destinée à constituer au moins une autre structure rapportée dans les conditions qui seront explicitées ci-après. En référence au point d) de la figure 1a, on indique que l'opération précitée consiste, en fait, à assurer une planarisation de l'ensemble, seule, de préférence, la deuxième couche sacrificielle CS2, au niveau de la partie supérieure de celle-ci, pouvant être laissée libre et non recouverte par le matériau spécifique SM précité. L'étape d) est alors suivie d'une étape e) consistant à attaquer par gravure la deuxième couche sacrificielle CS2 s'étendant dans la direction du deuxième et du premier degré de liberté et, bien entendu, dans une direction orthogonale au plan de la feuille représentant le dessin, pour atteindre la première couche sacrificielle CSi par l'intermédiaire des entrefers libérés et attaquer ensuite par gravure la première couche sacrificielle CSi s'étendant dans la direction du premier et du deuxième degré de liberté sous l'élément structurel SE et sous la couche de matériau spécifique SM. Cette opération permet de libérer, au moins partiellement, ainsi que représenté en figure 1a, au point e) de celle-ci, l'élément structurel SE de tout contact dans la direction du premier, respectivement du deuxième degré de liberté YY, XX et donc dans la direction des entrefers vis-à-vis, d'une part, de toute autre structure rapportée adjacente constituée par le matériau spécifique SM, et, bien entendu, du substrat S. On comprend, en particulier, que, l'attaque par gravure de la première couche sacrificielle CS-i permet de libérer un espace correspondant à l'épaisseur de cette couche sacrificielle sous l'élément structurel SE, d'une part, et, partiellement, sous la couche de matériau spécifique SM, cet espace libéré étant noté Φ au point e) de la figure 1a.
On comprend ainsi que le procédé objet de la présente invention permet d'engendrer les entrefers latéraux désignés "gap" dont la largeur dg est sensiblement égale à l'épaisseur de la deuxième couche sacrificielle e.
Le procédé objet de la présente invention apparaît particulièrement performant dans la mesure où, conformément à un aspect remarquable de ce dernier, l'épaisseur e de la deuxième couche sacrificielle CS2 peut être réglée directement par le choix des paramètres du processus de formation de la deuxième couche sacrificielle et, en particulier, du processus d'oxydation lorsque cette couche sacrificielle est réalisée par de l'oxyde de silicium. Les paramètres précités concernent non seulement les paramètres physiques d'oxydation du polysilicium constitutif de l'élément structurel SE précité, mais également le temps de formation de l'oxyde de silicium obtenu formant la deuxième couche sacrificielle CS2.
Dans ces conditions, on indique que la deuxième couche sacrificielle peut être engendrée de façon à présenter une épaisseur déterminée inférieure à 0,1 μm.
Bien entendu, le procédé objet de la présente invention a été représenté, en figure 1a, dans le cas le plus général.
Toutefois, dans l'optique d'une mise en œuvre industrielle de ce dernier, il est envisageable de supprimer les étapes a) et b) représentées en figure 1a, les étapes c), d) et e) étant alors appliquées à une ébauche de structure de microsystème. L'ébauche telle que représentée en figure 1 b comporte le substrat S recouvert de la première couche sacrificielle SCi et l'élément structurel SE formé sur cette première couche sacrificielle, destiné à constituer une structure rapportée mobile présentant les deux degrés de liberté. L'une des faces de l'élément structurel SE est en contact avec la première couche sacrificielle CS-i. On comprend, en particulier, que l'ébauche précitée peut être fabriquée en grande série et qu'il est alors envisageable de réaliser une production de grande série de structures de microsystème par application des étapes c), d) et e) telles que représentées en figure 1 b, lesquelles correspondent aux étapes c), d) et e) de la figure 1 a.
D'une manière générale, on indique que la première couche sacrificielle CSi et la deuxième couche sacrificielle CS2 sont constituées par des matériaux sensiblement de même nature. En particulier, lorsque le substrat S est un substrat de silicium et l'élément structurel SE est en polysilicium, la première et la deuxième couches sacrificielles sont avantageusement constituées par de l'oxyde de silicium.
Dans ces conditions, l'étape d'attaque par gravure de la deuxième couche sacrificielle CS2, puis de la première couche sacrificielle CS-i, peut être réalisée de manière sensiblement continue, par gravure isotrope par exemple, seules les conditions de l'attaque, c'est-à-dire la vitesse d'attaque, et de gravure par exemple, pouvant être modulées en fonction de certaines spécificités du processus.
De la même manière, lorsque le substrat S est constitué par du silicium, l'opération de dépôt ou de formation sur ce dernier de la première couche sacrificielle CSi consiste avantageusement à faire croître, par oxydation, une couche d'oxyde de silicium d'épaisseur déterminée, cette épaisseur pouvant être de l'ordre de quelques micromètres, afin de constituer la zone libérée, notée Φ au point e) de la figure 1a ou 1 b.
Enfin, le matériau spécifique SM, destiné à constituer au moins une autre structure rapportée, peut être constitué par les matériaux les plus divers tels que le polysilicium, un métal pour constituer une électrode, un composé de silicium, une résine époxy ou autre. En particulier, on indique que, la ou les structures rapportées adjacentes à l'élément structurel SE destiné à constituer la structure mobile, car séparées de ce dernier par les entrefers latéraux précités, peuvent elles-mêmes être fixes ou, le cas échéant, mobiles.
Une description détaillée d'une mise en œuvre industrielle du procédé objet de la présente invention, telle qu'illustrée en figure 1 b, sera maintenant donnée en liaison avec la figure 2. Sur la figure 2, les mêmes références d'étapes représentent les mêmes étapes que celles décrites précédemment relativement à la figure 1 b ou 1a, les indices différents associés à ces références d'étapes désignant des sous-étapes particulières. On comprend, ainsi, qu'à partir d'une ébauche semblable à celle représentée en figure 1 b, le procédé objet de l'invention décrit met en œuvre la succession des trois étapes c), d) et e).
Plusieurs techniques peuvent toutefois être utilisées pour la mise en œuvre de la structure intermédiaire représentée à l'étape d) de la figure 1a ou 1b, par exemple. On rappelle, en particulier, que l'étape précitée correspond à un processus de dépôt et de planarisation de la structure adjacente à l'élément structurel SE, structure adjacente destinée à constituer l'électrode fixe par exemple.
Parmi les techniques précitées peuvent être mentionnés le polissage mécano-chimique, la planarisation simple par résine ou la planarisation par résine et attaque sélective.
La dernière technique précitée est la plus générale, car elle est applicable quelle que soit l'épaisseur ep-i de l'élément structurel mobile SE et l'épaisseur ep2 de la couche, notée SM-i, destinée à réaliser l'autre structure rapportée adjacente, structure fixe telle qu'une électrode par exemple.
C'est dans le cadre de la technique de planarisation par résine et attaque sélective précédemment mentionnée que la succession des étapes de mise en œuvre du procédé objet de la présente invention sera maintenant décrite en liaison avec la figure 2. En référence à la figure précitée, on considère une ébauche, telle que décrite précédemment dans la description, comportant une première couche de matériau structurel, d'épaisseur e-i, destinée à former l'élément structurel SE et située au-dessus de la première couche sacrificielle CS-i. Les éléments structurels, tels que SE, sont alors définis par une première photolithographie et gravure. Cette définition s'effectue à partir d'un masque épais d'oxyde de silicium qui est conservé par la suite et qui permet d'obtenir l'ébauche, telle que représentée en figure 1 b ou 2, l'ébauche précitée étant toutefois limitée à la définition d'un seul élément structurel SE. Le masque épais d'oxyde de silicium est noté OM et est superposé à l'élément structurel SE.
A partir de l'ébauche précitée, l'étape c) est mise en œuvre, conformément à l'étape représentée en figure 1b par exemple. Au cours de cette étape, les flancs de l'élément structurel SE sont oxydés pour former la deuxième couche sacrificielle CS2, latérale, dont l'épaisseur e = dg définit exactement la valeur de l'entrefer nanométrique désirée, ainsi que représenté en figure 2, au point c).
L'étape d) est alors réalisée et, ainsi que représenté en figure 2, par dépôt d'une deuxième couche structurelle d'épaisseur ep2, en une sous- étape di), de façon à former un recouvrement conforme de l'ensemble et, en particulier, de l'élément structurel SE et de la deuxième couche sacrificielle CS2. Cette deuxième couche structurelle est désignée SM-i. Cette opération est représentée à l'étape d-i) de la figure 2a. L'ensemble est ensuite protégé par dépôt d'une résine suffisamment épaisse formant couche protectrice pour recouvrir sensiblement la hauteur des marches obtenues à la sous-étape di), cette opération étant représentée à la sous-étape d2) et correspondant à une opération de planarisation du deuxième niveau de matériau structurel. La résine est notée SM2, au point d2) de la figure 2. On comprend, en particulier, que la sous-étape d2) permet une première planarisation dans le sens où la hauteur de marche est sensiblement réduite une première fois.
L'étape suivante correspond sensiblement à l'étape de gravure et d'attaque, étape e) de la figure 1 b ou 1a.
Dans ce but, la couche protectrice de résine épaisse est gravée de façon à opérer une ouverture sur la matériau structurel SMi uniquement aux endroits où il existe un recouvrement d'éléments structurels, c'est-à-dire de l'élément structurel SE. A partir d'un procédé de gravure isotrope sélectif entre le matériau SMi et la couche protectrice SM2, le deuxième niveau structurel SMi est planarisé jusqu'à effleurement avec l'oxyde de silicium, c'est-à-dire le masque épais d'oxyde de silicium OM situé au-dessus de l'élément structurel SE. Le masque épais précité, formé par l'oxyde de silicium, sert d'indicateur pour la fin de l'attaque représentée au point e2) de la figure 2. La sous-étape e2) est alors suivie d'une sous-étape e3) où l'on procède au retrait de la couche protectrice, c'est-à-dire du matériau SM2, à l'étape e3), et le matériau SMi est ensuite défini en élément rapporté formant les autres éléments rapportés par une deuxième étape de photolithographie par masquage et gravure. Les autres éléments rapportés sont représentés sur la figure 2 à l'étape e3).
L'élément structurel SE destiné à former l'élément mobile est ensuite désolidarisé des autres éléments rapportés par gravure sélective du masque épais d'oxyde de silicium OM, de la couche sacrificielle CS2, puis de la couche sacrificielle CS-i, ainsi que décrit précédemment en liaison avec la figure 1 b ou 1a, en libérant une structure mobile, la structure SE, séparée d'un entrefer latéral nanométrique, de largeur dg vis-à-vis d'une structure adjacente servant d'électrode, ainsi que, par exemple, représenté à la sous-étape e ) de la figure 2. Le procédé objet de l'invention met donc en œuvre uniquement les deux niveaux de masquage précédemment décrits, et des moyens de lithographie à moyenne résolution, c'est-à-dire à résolution supérieure à 1 μm. En outre, il n'est pas nécessaire de mettre en œuvre un alignement très précis, l'alignement nécessaire étant supérieur à 2 μm, pour réaliser les structures mobiles ayant des entrefers latéraux nanométriques avec des électrodes auto- alignées. C'est, en particulier, le cas pour la création d'une poutre résonante actionnée par des électrodes latérales.
Le procédé objet de la présente invention est, bien entendu, applicable à un nombre quelconque de niveaux structurels dans le cadre d'autres applications. Il permet, ainsi, de réaliser des entrefers latéraux dont l'écart d'entrefer est compris entre 10 nm à 1 μm, pour des épaisseurs de matériau variant, indépendamment de la valeur de l'entrefer choisie, de 100 nm à 15 μm.
Le procédé objet de la présente invention permet de mettre en œuvre et de réaliser à l'échelle industrielle des structures rapportées sur un substrat S, constitutives de structures de microsystème, telles que représentées en figure 3. Ces structures de microsystème peuvent être mises en œuvre pour réaliser des composants de microsystème de tous types, ainsi qu'il sera décrit ultérieurement dans la description.
En référence à la figure 3, on rappelle que toute structure de microsystème conforme à l'objet de la présente invention comprend, parmi les structures rapportées sur le substrat S, une structure rapportée au moins, constituant une structure mobile, l'élément structurel SE.
Cet élément structurel présente deux degrés de liberté par rapport au substrat S dans les directions XX et YY précédemment mentionnées dans la description.
L'une au moins des autres structures rapportées SM est fixe et mécaniquement solidaire du substrat S. Selon un premier aspect remarquable de la structure de microsystème objet de la présente invention, celle-ci comprend une couche intermédiaire CSi assurant la liaison mécanique entre le substrat S et les structures rapportées SE, SM, la couche intermédiaire CSi étant gravée et supprimée, au moins partiellement, entre l'une au moins des structures rapportées, en particulier, l'élément structurel SE constituant la structure mobile, et le substrat S et, le cas échéant, pour partie au moins, l'une ou l'autre des structures mobiles SM et le substrat S. Enfin, et de manière particulièrement remarquable, la structure de microsystème objet de la présente invention comprend au moins un entrefer latéral séparant la structure mobile, c'est-à-dire l'élément structurel SE, des autres structures rapportées dans la direction du deuxième degré de liberté, la direction XX précitée. De manière non limitative, sur la figure 3, on a représenté deux entrefers latéraux βι = dg et e2 = dg, chaque entrefer latéral présentant, dans la direction du deuxième degré de liberté XX, une dimension linéique inférieure à 0,1 μm.
La couche intermédiaire CS^i est une couche sacrificielle présentant une épaisseur déterminée comprise entre 1 et 10 μm par exemple. Par couche sacrificielle, on rappelle qu'il s'agit d'une couche susceptible d'être attaquée et gravée par attaque chimique par exemple. Deux exemples de mise en œuvre spécifique de microsystèmes à partir de structures de microsystème conformes à l'objet de la présente invention, tel que représentés en figure 3, seront maintenant donnés en liaison avec les figures 4 et 5. Sur la figure 4, on a représenté un microrésonateur à poutre vibrante obtenu grâce à l'utilisation d'une structure de microsystème, telle que représentée en figure 3.
Sur la figure 4, on indique que la poutre vibrante porte la référence VB et que le plan de symétrie longitudinale de cette dernière est représenté par sa trace, notée PP' sur la figure 4.
De manière classique, la poutre vibrante VB est assujettie au substrat par un premier et un deuxième ancrage, notés ANCi et ANC2. Un premier et un deuxième entrefer latéral sont chacun formés entre un bord latéral de la poutre vibrante VB et le bord latéral d'une première, respectivement d'une deuxième électrode, notées Ei, E2. En référence à la figure 3, on rappelle que les entrefers latéraux, pour cette raison, sont notés ei et e2.
Le microrésonateur à poutre vibrante encastrée, tel que représenté en figure 4, a été mis en œuvre avec les dimensions ci-après : - longueur : 30 μm,
- largeur : 2 μm,
- épaisseur : 2 μm.
Un autre exemple de mise en œuvre d'un microrésonateur dit à mode de Lamé sera maintenant décrit en liaison avec la figure 5. En référence à la figure précitée, on indique que le microrésonateur à mode de Lamé comporte une structure de microsystème, telle que représentée en figure 3, conforme à l'objet de la présente invention.
Cette structure de microsystème présente une symétrie par rapport à un centre de symétrie, noté C, matérialisé par l'intersection d'un axe YY' orthogonal à la surface du substrat S. Elle comporte une plaque vibrante VP sensiblement carrée, le centre de symétrie C étant situé au centre de la plaque, cette plaque étant ancrée au substrat S par l'intermédiaire de la couche intermédiaire par ses sommets, les points d'ancrage étant notés ANCi, ANC2, ANC3 et ANC4.
Ainsi que représenté sur la figure 5, le microrésonateur à mode de
Lamé comporte quatre entrefers latéraux formés chacun entre un des bords latéraux de la plaque vibrante VP et le bord adjacent d'une électrode latérale notée Ei, E2, E3, E4 et associée à l'un des bords latéraux de la plaque vibrante
VP. Les entrefers latéraux sont notés eι, e2, e3 et e4.
Dans le mode de réalisation mis en œuvre en référence à la figure 5, on indique que la plaque vibrante VP présentait un bord latéral ou côté de longueur de 35 μm sensiblement.
Dans tous les cas, microrésonateur à poutre vibrante encastrée ou microrésonateur en mode de Lamé, tels que représentés en figures 4 et 5, les valeurs d'entrefers latéraux précédemment mentionnés présentaient une valeur sensiblement égale à 80 nm. Le procédé objet de la présente invention permet la mise en œuvre de structures de microsystème particulièrement performantes dans lesquelles les entrefers latéraux sont largement inférieurs à 1 μm et, en particulier, à 0,1 μm.
D'une manière générale, tout type de composant peut être mis en œuvre à partir des structures de microsystème précitées.
Le procédé objet de l'invention apparaît particulièrement bien adapté à la réalisation de structures de microsystème à partir d'un substrat de type
SOI, pour Silicon On Insulator, dans lequel le substrat est en silicium monocristallin et l'oxyde d'isolation du SOI constitue la première couche sacrificielle CS-i.
Les applications visées concernent des systèmes de positionnement ayant quelques nanomètres de précision, la préhension de l'objet d'envergure nanométrique, les résonateurs à polarisation nulle et les résonateurs à très haute fréquence, désignés nanorésonateurs.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de réalisation d'entrefers latéraux entre structures rapportées en surface d'un substrat, lesdites structures rapportées comportant au moins une structure rapportée mobile présentant deux degrés de liberté, par rapport audit substrat, un premier degré de liberté dans une direction sensiblement perpendiculaire au substrat et un deuxième degré de liberté dans une direction sensiblement parallèle au substrat et à la direction des entrefers, caractérisé en ce qu'il consiste : a) à déposer, sur ladite surface de substrat, une première couche sacrificielle d'épaisseur déterminée ; b) à former, sur ladite première couche sacrificielle, un élément structurel destiné à constituer ladite au moins une structure rapportée mobile présentant deux degrés de liberté, l'une des faces dudit élément structurel étant en contact avec ladite première couche sacrificielle ; c) à recouvrir la surface libre dudit élément structurel d'une deuxième couche sacrificielle d'épaisseur déterminée, sensiblement égale à la dimension linéique desdits entrefers latéraux ; d) à recouvrir la partie libre de ladite première couche sacrificielle et la surface libre de ladite deuxième couche sacrificielle orthogonale à ladite direction d'entrefer d'une couche de matériau spécifique destinée à constituer au moins une autre structure rapportée ; e) à attaquer, par gravure, la dite deuxième couche sacrificielle s'étendant dans la direction du deuxième et du premier degré de liberté puis ladite première couche sacrificielle s'étendant dans la direction du premier et du deuxième degré de liberté, sous l'élément structurel et sous la couche de matériau spécifique, de manière à libérer, au moins partiellement, ledit élément structurel de tout contact dans la direction du premier respectivement du deuxième degré de liberté et des entrefers vis-à-vis de ladite au moins une autre structure rapportée et dudit substrat, ce qui permet d'engendrer des entrefers latéraux de largeur sensiblement égale à l'épaisseur de ladite deuxième couche sacrificielle.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que celui-ci consiste à appliquer successivement les étapes c), d) et e) à une ébauche de structure de microsystème, ladite ébauche comportant ledit substrat recouvert de ladite première couche sacrificielle et ledit élément structurel formé sur cette première couche sacrificielle et destiné à constituer ladite au moins une structure rapportée mobile présentant deux degrés de liberté, l'une des faces dudit élément structurel étant en contact avec ladite couche sacrificielle.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la deuxième couche sacrificielle présente une épaisseur inférieure à 0,1 μm.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première et la deuxième couches sacrificielles sont constituées en un même matériau.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, pour un substrat constitué par du silicium, l'opération consistant à déposer, sur le substrat, ladite première couche sacrificielle, consiste à faire croître par oxydation, une couche d'oxyde de silicium d'épaisseur déterminée.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour un élément structurel destiné à constituer ladite structure rapportée mobile en un matériau appartenant au groupe formé par le silicium, le polysilicium ou un composé de silicium, ladite opération consistant à recouvrir la surface libre dudit élément structurel d'une deuxième couche sacrificielle d'épaisseur déterminée, consiste à faire croître, par oxydation, une couche d'oxyde de silicium d'épaisseur sensiblement égale à la largeur des entrefers latéraux.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite couche d'oxyde de silicium est réglée par le temps de croissance de ladite couche d'oxyde de silicium.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit matériau spécifique destiné à constituer au moins une autre structure rapportée est constitué par un matériau appartenant au groupe formé par le polysilicium, un métal, un composé de silicium, une résine époxy.
9. Structure de microsystème comprenant des structures rapportées sur un substrat, l'une des structures rapportées, structure mobile, présentant deux degrés de liberté par rapport audit substrat, un premier degré de liberté dans une direction sensiblement perpendiculaire au substrat et un deuxième degré de liberté dans une direction sensiblement parallèle au substrat, l'une au moins des autres structures rapportées étant fixe et mécaniquement solidaire dudit substrat, caractérisé en ce que ladite structure de microsystème comporte :
- une couche intermédiaire assurant la liaison mécanique entre ledit substrat et lesdites structures rapportées, ladite couche intermédiaire étant gravée et supprimée, au moins partiellement, entre l'une au moins desdites structures rapportées, constituant ladite structure mobile et ledit substrat ; - au moins un entrefer latéral séparant ladite structure mobile des autres structures rapportées dans la direction dudit deuxième degré de liberté, ledit entrefer latéral présentant, dans la direction dudit deuxième degré de liberté, une dimension linéique inférieure à 0,1 μm.
10. Structure selon la revendication 9, caractérisée en ce que ladite couche intermédiaire est une couche sacrificielle présentant une épaisseur déterminée comprise entre 1 et 10 μm.
11. Microrésonateur à poutre vibrante, caractérisé en ce qu'il comporte une structure de microsystème selon l'une des revendications 9 ou 10, ladite structure de microsystème présentant une symétrie par rapport à un plan de symétrie longitudinal de ladite poutre vibrante, et, un premier et un deuxième entrefers latéraux chacun formé entre un bord latéral de ladite poutre vibrante et un bord latéral d'une première respectivement d'une deuxième électrode.
12. Microrésonateur à mode de Lamé, caractérisé en ce qu'il comporte une structure de microsystème selon l'une des revendications 9 ou
10, ladite structure de microsystème présentant une symétrie par rapport à un centre de symétrie et comportant :
- une plaque vibrante sensiblement carrée centrée sur ledit centre de symétrie et ancrée audit substrat par l'intermédiaire de la couche intemédiaire par ses sommets ;
- quatre entrefers latéraux formés chacun entre un des bords latéraux de ladite plaque vibrante et le bord adjacent d'une électrode latérale associée à l'un des bords latéraux de ladite plaque vibrante.
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