EP4146586A1 - Micro-electromechanical system and method for producing same - Google Patents

Micro-electromechanical system and method for producing same

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Publication number
EP4146586A1
EP4146586A1 EP21716744.4A EP21716744A EP4146586A1 EP 4146586 A1 EP4146586 A1 EP 4146586A1 EP 21716744 A EP21716744 A EP 21716744A EP 4146586 A1 EP4146586 A1 EP 4146586A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
getter film
electromechanical
getter
less
Prior art date
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Pending
Application number
EP21716744.4A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Sylvain LEMETTRE
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.)
Lynred SAS
Original Assignee
Lynred SAS
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 Lynred SAS filed Critical Lynred SAS
Publication of EP4146586A1 publication Critical patent/EP4146586A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/0032—Packages or encapsulation
    • B81B7/0035—Packages or encapsulation for maintaining a controlled atmosphere inside of the chamber containing the MEMS
    • B81B7/0038—Packages or encapsulation for maintaining a controlled atmosphere inside of the chamber containing the MEMS using materials for controlling the level of pressure, contaminants or moisture inside of the package, e.g. getters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/16—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations, e.g. centering rings
    • H01L23/18—Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device
    • H01L23/26—Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device including materials for absorbing or reacting with moisture or other undesired substances, e.g. getters
    • 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
    • B81C1/00261—Processes for packaging MEMS devices
    • B81C1/00277—Processes for packaging MEMS devices for maintaining a controlled atmosphere inside of the cavity containing the MEMS
    • B81C1/00285—Processes for packaging MEMS devices for maintaining a controlled atmosphere inside of the cavity containing the MEMS using materials for controlling the level of pressure, contaminants or moisture inside of the package, e.g. getters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2203/00—Forming microstructural systems
    • B81C2203/01—Packaging MEMS
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2203/00—Forming microstructural systems
    • B81C2203/01—Packaging MEMS
    • B81C2203/0145—Hermetically sealing an opening in the lid

Definitions

  • the invention relates to a method of manufacturing a microelectromechanical system, also called MEMS for "microelectromechanical System” in the English literature.
  • the invention relates to the manufacture of a MEMS encapsulated under vacuum in a hermetic case of small volume, typically of volume less than 10 mm 3 .
  • the invention can be applied to several types of microelectromechanical systems requiring vacuum encapsulation with low volume, for example microbolometers of uncooled infrared imagers.
  • microsystems must operate under vacuum to achieve optimum performance. This is particularly the case with MEMS which are the basis of uncooled infrared imagers: microbolometers.
  • a microbolometer consists of an absorber sensitive to infrared radiation incident in a spectral range of interest, typically between 8 and 14 micrometers.
  • the absorber is connected to a thermistor, whose function is to measure the heating of the absorber.
  • the thermistor has a resistance that varies as it changes in temperature. Thus, the thermistor converts the change in temperature of the absorber into a change in resistance.
  • the thermistor is connected to a read circuit which measures this variation in resistance. By collecting the resistance variations of a micro-bolometric pixel array, an infrared image is generated using the read circuit.
  • the microbolometer is in the form of a structure suspended above the reading circuit, called a "board", which performs the functions of absorption and detection.
  • the board is connected to the reading circuit by suspension arms. This suspended design meets optical, mechanical and above all thermal requirements.
  • the volume of empty space between the board and a substrate incorporating the reading circuit constitutes an excellent thermal insulator.
  • the three main phenomena of thermal loss of a suspended structure are formed by solid conduction through the arms connecting the board to the reading circuit, by conduction through the gas surrounding the plate and by radiation. At temperatures in which a microbolometer is used, radiant heat transfer is negligible. Solid conduction is determined by the geometry of the suspended structure. The heat transfer by the gas is minimized by lowering the gas pressure between the bolometric board and the reading circuit, to be less than the solid conduction.
  • Thermal insulation essential for the optimal functioning of a microbolometer, is therefore achieved by placing the microbolometer under vacuum. A pressure of less than approximately 10 2 mbar is necessary to obtain maximum sensitivity.
  • the array of microbolometric pixels is vacuum encapsulated in a cavity.
  • This encapsulation conventionally requires the use of a hermetic metal sealing technique to maintain the desired level of vacuum throughout the life of the component.
  • getter activation conditions they are set by the sealing cycle, since thermal heating of the metal sealing process is conventionally used to activate the getter film, in order to reduce the production cost.
  • the active getter must simply be in contact with the gas to be absorbed.
  • the getter film is therefore deposited indiscriminately on the unused areas of the MEMS substrate, or on the walls of the encapsulation box, continuously or discontinuously.
  • This porosity can also be obtained by a film deposited on an underlayer, as described in documents US 2016/0040282 or US 9,005,353.
  • the preferred deposition method for producing them is cathode sputtering, since it allows porous films to be obtained.
  • this method lengthens the cycle time and it is applicable only to limited cases of encapsulation process. Indeed, if the getter is again exposed to ambient air between its pre-annealing and the sealing cycle, its porous surface again traps gas: degassing is therefore not effective. On the other hand, if the degassing annealing is carried out in the sealing furnace, and the annealing is immediately followed by the sealing cycle, then the sealing beads of the cavity also necessarily undergo the pre-degassing annealing. However, this can degrade the quality of the weld, in particular for low temperature sealing techniques, typically close to 250 ° C.
  • Pre-degassing in the sealing furnace can therefore only be carried out with high temperature sealing techniques, typically greater than 350 ° C., for which the quantity of gas desorbed in the cavity during sealing is large.
  • high temperature sealing techniques typically greater than 350 ° C.
  • These solutions of the state of the art do not make it possible to achieve a very high vacuum level, typically 5.10 2 mbar, for cavities of very low volumes, for example close to 1 mm 3 .
  • the technical problem which the invention proposes to solve is therefore to determine how to obtain a very high vacuum level by reducing the volume of a cavity of a MEMS while using the simplest possible manufacturing process.
  • the invention arises from a first observation that argon is the gas which limits the vacuum level that can be reached by the solutions of the state of the art.
  • gases desorbed in a MEMS cavity in particular that of a microbolometer, were analyzed after the sealing of the cavity. This analysis showed that the desorbed gases consist mainly of hydrogen, nitrogen, carbon oxides, and carbon and hydrogen compounds, such as methane.
  • each desorbed argon atom irreparably increases the pressure in the cavity.
  • the invention proposes to use a method of manufacturing a MEMS in which the getter film is deposited by a physical vapor deposition so as to limit the incorporation of argon during the deposition of the film. getter.
  • this deposition technique makes it possible to obtain a very weakly porous getter film that limits the capture of argon present in the air.
  • the invention relates to a method of manufacturing an electromechanical microsystem comprising the following steps:
  • the “specific absorption surface” is measured by the BET method, for Brunauer, Emmett and Teller, as described in the scientific publication by devise ROUQUEROL, Jean ROUQUEROL, Isabelle BEURROIES, Philip LLEWELLYN, and Renaud DENOYEL, "Texture of divided materials - Specific area of powdery or nanoporous materials", Techniques de l'Ingur, reference P1050, 2017. This method makes it possible to measure the specific surface area of absorption of a quantity of gas to determine the porosity of a solid.
  • the expression “specific absorption surface” describes both the absorption capacity and the adsorption capacity of the solid, that is to say the capacity of a solid to allow penetration. of a gaseous species and the ability of a solid to fix a gaseous species on its surface.
  • this specific absorption surface area of less than 8 m 2 / g makes the desorption of argon in the cavity due to the presence of the getter negligible.
  • the getter film has a specific absorption surface area of less than 8 m 2 / g.
  • the physical vapor deposition of the getter film such that the getter film has a specific absorption surface area of less than 8 m 2 / g, thus makes it possible to obtain a cavity with a small amount of argon.
  • the invention makes it possible to improve the vacuum level that can be reached in a low volume cavity. The invention thus calls into question the technical prejudice exposed above according to which the vacuum level of 10 2 mbar can be reached in a small volume cavity of a MEMS only by producing a porous getter or by structuring the surface of the getter. .
  • the physical vapor deposition of a getter film makes it possible to obtain a vacuum level of 5.10 2 mbar in very small volume cavities, for example less than 2 mm 3 , because this deposition technique limits the incorporation of argon during deposition and makes it possible to obtain a very weakly porous getter film, limiting the trapping of the argon atoms present in the air during the inevitable exposure of the getter to ambient air.
  • the invention is therefore particularly advantageous for MEMS incorporating microbolometers, for which the vacuum level is essential to maintain their performance over time.
  • some manufacturing techniques involve cleaning the substrate with argon plasma before depositing the getter film on the substrate. This technique has been observed to cause the absorption of argon into the substrate prior to sealing. To limit argon desorption during sealing, the getter film is deposited on the substrate without prior cleaning of the substrate involving a noble gas.
  • the physical vapor deposition of the getter film is carried out by heating a crucible containing the evaporation charges by the Joule effect or by means of an electron beam, under a pressure of less than 10 7 mbar so as to limit the quantity of argon incorporated into the getter layer.
  • the sealing is carried out at a temperature between 250 and 350 ° C, typically 300 ° C.
  • a sealing temperature close to 300 ° C it is possible to use known and proven methods to achieve sealing and getter activation.
  • the getter comprises at least one of the following elements: Barium, Lanthanum, Scandium, Titanium, Zirconium, Niobium, Yttrium, Vanadium, Hafnium, Tantalum, Iron, Cobalt, Nickel, Palladium, Platinum and Aluminum, alone or in mixed.
  • the getter made of a titanium-yttrium alloy.
  • a vacuum of 3.10 2 mbar was obtained for a 1 mm 3 cavity sealed at 300 ° C.
  • the invention relates to an electromechanical microsystem comprising:
  • the specific absorption surface of the getter film of less than 8 m 2 / g is preferably obtained by the physical vapor deposition described above.
  • this specific absorption surface can be obtained by evaporation along a normal or slightly inclined axis, that is to say with an angle of less than 40 °, relative to the substrate.
  • the substrate is then rotated on itself around the evaporation tax during the evaporation of the getter material so as to form a getter film with the specific absorption surface described.
  • this specific absorption surface can be obtained by cathodic sputtering.
  • the carrier gas pressure is then determined as a function of the nature of the getter film to be sprayed and of the power of the plasma.
  • the substrate can also be rotated on itself around the spray base during the evaporation of the getter material so as to form a getter film with the specific absorption surface described.
  • any other deposit making it possible to obtain a specific absorption surface area of less than 8 m 2 / g can be used.
  • Observations have shown that the outgassing of argon due to exposure to ambient air and to the entrapment of argon in the pores of the getter is related to the specific absorption surface.
  • a measurement of the specific absorption surface makes it possible to know whether or not the phenomenon of argon trapping could occur as a function of the specific absorption surface characteristic of a specific getter.
  • Figure 1 is a flowchart of the steps of the manufacturing process of an electromechanical microsystem according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 1 illustrates the steps for producing an optoelectronic component 10 encapsulated in an enclosure 12 under a predetermined pressure, for example under a pressure less than 5.10 2 mbar.
  • the enclosure 12 is formed by the sealing of side walls 17 of a hermetic housing 18 to a substrate 13 by means of a metal seal.
  • a first step 30 consists in producing the electromechanical element 11 on the substrate 13.
  • the substrate 13 can integrate a read circuit and the electromechanical element 11 can correspond to a microbol or be uncooled mounted in suspension above the substrate 13 by means of studs and support arms.
  • one or more sacrificial layers are used and are structured to form the pads and the different layers of the microbolometer membrane.
  • the microbolometer 11 may include a reflector 16.
  • a second step 31 consists in preparing an encapsulation box 18 intended to form a hermetic cavity 12 around the electromechanical element 11.
  • the side walls 17 are structured substantially vertically. of a substrate intended to form the top of the encapsulation box 18.
  • An optical window 14 can also be structured in this upper substrate so as to filter the electromagnetic radiation picked up by the microbolometer 11.
  • a third step 32 consists in depositing a getter film 15 on the substrate 13 or on a wall of the encapsulation box 18. As illustrated in FIG. 1, the getter film 15 can be deposited at side of the optical window 14 on the upper wall of the encapsulation box 18. As a variant, the getter film 15 can be deposited next to the reflector 16 or on the side walls 17.
  • the getter film 15 is intended to be placed inside the enclosure 12 so as to capture the gases desorbed in said enclosure, and to maintain a vacuum level of less than 5.10 2 mbar in the latter.
  • this getter film 15 is deposited by physical vapor deposition so as to obtain a specific absorption surface area of less than 8 m 2 / g.
  • the deposition surface of this getter film 15 is not cleaned by a process involving argon before the deposition of the getter film 15 so as to avoid the incorporation of argon into the wall of the encapsulation box. 18 or on the substrate 13.
  • the getter film 15 comprises at least one of the following elements Barium, Lanthanum, Scandium, Titanium, Zirconium, Niobium, Yttrium, Vanadium, Hafnium, Tantalum, Iron, Cobalt, Nickel, Palladium, Platinum and Aluminum, alone or mixed.
  • the getter film 15 can be made of a titanium-yttrium alloy.
  • the physical vapor deposition of the getter film 15 consists in heating a crucible incorporating the getter material so as to obtain its evaporation. This evaporation is carried out under vacuum, preferably at a pressure of less than 10 7 mbar.
  • the evaporation of the getter material is controlled by an electric current or an electron beam so that the particles of the evaporated getter material agglomerate on the target surface, that is to say on a surface of the substrate 13 or d 'a wall of the encapsulation box 18.
  • the evaporation by Joule effect consists in heating the crucible by an electric current while the evaporation by electron beam consists in applying a beam of electrons directed on the crucible.
  • the getter film 15 When the getter film 15 is deposited on the substrate 13 or on a wall of the encapsulation box 18, said box can be sealed on the substrate 13, during a step 33.
  • a metal weld bead 20 is used. deposited between the substrate 13 and the lower end of the side walls 17 of the encapsulation box 18. This weld bead 20 is then heated so as to obtain a hermetic interface between the lower end of the side walls 17 of the encapsulation box 18 and substrate 13.
  • the heating temperature of this weld bead 20 is preferably between 250 and 350 ° C, so as to allow activation of the getter film 15 when the temperature of the weld bead 20 rises.
  • a very simple thermal sealing cycle can be achieved. be implemented: a first phase of temperature rise, a second phase of stabilization of the temperature at the heating temperature for a predetermined time, and a third phase of gradual decrease in temperature.
  • the stabilization time as well as the rise and fall times of the temperature can be adjusted depending on the getter material and the material of the weld bead 20 so as to obtain an efficient activation of the getter film 15 and hermetic welding of the enclosure 12.
  • Activation of the getter film is obtained by means of migration of the passivation layer formed on the surface of the getter film 15 following contact between the getter film and oxygen.
  • This passivation layer can correspond to a layer of nitride if a specific annealing process has been used, as described in document US Pat. No. 9,051,173, or to a thin metallic layer of gold, palladium or nickel, as described in the documents. documents US 6,923,625 and US 9,240,362.
  • the invention thus makes it possible to obtain a microelectromechanical system 10 with a hermetic cavity 12 of very low volume and with a high vacuum level.

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Abstract

The invention relates to a method for producing a micro-electromechanical system (10), comprising the following steps:  producing (30) an electromechanical element (11) on a substrate (13);  preparing (31) an encapsulation housing (18) so as to form a sealed recess (12) incorporating the electromechanical element (11), the sealed recess (12) having a volume of less than 10 mm3;  physical vapour deposition (32) of a getter film (15) onto the substrate (13) or onto a wall (17) of the encapsulation housing (18) such that the getter film (15) has a specific absorption surface area of less than 8 m²/g; and  sealing (33) the encapsulation housing (18) on the substrate (13) by means of a thermal sealing cycle, the temperature of which activates the getter film (15).

Description

PROCEDE DE FABRICATION D’UN MICROSYSTEME ELECTRO MECANIQUE ET MICROSYSTEME ELECTROMECANIQUE MANUFACTURING PROCESS OF AN ELECTRO-MECHANICAL MICROSYSTEM AND ELECTROMECHANICAL MICROSYSTEM
DOMAINE TECHNIQUE TECHNICAL AREA
L’invention concerne un procédé de fabrication d’un microsystème électromécanique, également appelé MEMS pour « microelectromechanical System » dans la littérature anglo- saxonne. The invention relates to a method of manufacturing a microelectromechanical system, also called MEMS for "microelectromechanical System" in the English literature.
Plus particulièrement, l’invention vise la fabrication d’un MEMS encapsulé sous vide dans un boîtier hermétique de faible volume, typiquement de volume inférieur à 10 mm3. More particularly, the invention relates to the manufacture of a MEMS encapsulated under vacuum in a hermetic case of small volume, typically of volume less than 10 mm 3 .
L’invention peut être appliquée à plusieurs types de microsystèmes électromécaniques nécessitant une encapsulation sous vide avec un faible volume, par exemple les microbolomètres des imageurs infrarouges non refroidis. The invention can be applied to several types of microelectromechanical systems requiring vacuum encapsulation with low volume, for example microbolometers of uncooled infrared imagers.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE TECHNOLOGICAL BACKGROUND
Certains microsystèmes doivent fonctionner sous vide pour atteindre des performances optimales. C’est en particulier le cas des MEMS à la base des imageurs infrarouges non refroidis : les microbolomètres. Some microsystems must operate under vacuum to achieve optimum performance. This is particularly the case with MEMS which are the basis of uncooled infrared imagers: microbolometers.
Un microbolomètre est constitué d’un absorbeur sensible aux rayonnements infrarouges incidents dans un domaine spectral d’intérêt, typiquement compris entre 8 et 14 micromètres. L’ absorbeur est relié à un thermistor, dont la fonction est de mesurer réchauffement de l’absorbeur. Le thermistor a une résistance qui varie lorsqu’il change de température. Ainsi, le thermistor convertit la variation de température de l’absorbeur en variation de résistance. En outre, le thermistor est relié à un circuit de lecture qui mesure cette variation de résistance. En collectant les variations de résistance d’une matrice de pixels micro-bolométriques, une image infrarouge est générée à l’aide du circuit de lecture. A microbolometer consists of an absorber sensitive to infrared radiation incident in a spectral range of interest, typically between 8 and 14 micrometers. The absorber is connected to a thermistor, whose function is to measure the heating of the absorber. The thermistor has a resistance that varies as it changes in temperature. Thus, the thermistor converts the change in temperature of the absorber into a change in resistance. In addition, the thermistor is connected to a read circuit which measures this variation in resistance. By collecting the resistance variations of a micro-bolometric pixel array, an infrared image is generated using the read circuit.
Pour maximiser l’élévation de température de l’absorbeur, les pertes thermiques doivent être réduites au minimum, d’où la nécessité d’une fonction d’isolation thermique entre le circuit de lecture et la fonction de détection assurée par le thermistor. Pour ce faire, le microbolomètre se présente sous la forme d’une structure suspendue au- dessus du circuit de lecture, appelée « planche », qui assure les fonctions d’absorption et de détection. La planche est reliée au circuit de lecture par des bras de suspension. Cette conception suspendue répond à des impératifs optiques, mécaniques et surtout thermiques. To maximize the temperature rise of the absorber, thermal losses must be reduced to a minimum, hence the need for a thermal insulation function between the read circuit and the detection function provided by the thermistor. To do this, the microbolometer is in the form of a structure suspended above the reading circuit, called a "board", which performs the functions of absorption and detection. The board is connected to the reading circuit by suspension arms. This suspended design meets optical, mechanical and above all thermal requirements.
En effet, en plaçant cette structure suspendue dans une enceinte sous atmosphère raréfiée à basse pression, le volume d’espace vide entre la planche et un substrat intégrant le circuit de lecture constitue un excellent isolant thermique. In fact, by placing this suspended structure in an enclosure under a rarefied atmosphere at low pressure, the volume of empty space between the board and a substrate incorporating the reading circuit constitutes an excellent thermal insulator.
Les trois phénomènes principaux de pertes thermiques d’une structure suspendue sont constitués par la conduction solide à travers les bras reliant la planche au circuit de lecture, par la conduction à travers le gaz environnant la plaque et par le rayonnement. Aux températures d’utilisation d’un microbolomètre, le transfert thermique par rayonnement est négligeable. La conduction solide est déterminée par la géométrie de la structure suspendue. Le transfert thermique par le gaz est minimisé en abaissant la pression de gaz entre la planche bolométrique et le circuit de lecture, jusqu’à être inférieure à la conduction solide. The three main phenomena of thermal loss of a suspended structure are formed by solid conduction through the arms connecting the board to the reading circuit, by conduction through the gas surrounding the plate and by radiation. At temperatures in which a microbolometer is used, radiant heat transfer is negligible. Solid conduction is determined by the geometry of the suspended structure. The heat transfer by the gas is minimized by lowering the gas pressure between the bolometric board and the reading circuit, to be less than the solid conduction.
L’isolation thermique, indispensable au fonctionnement optimal d’un microbolomètre, est donc réalisée en plaçant le microbolomètre sous vide. Une pression inférieure à 102 mbar environ est nécessaire pour obtenir une sensibilité maximale. Thermal insulation, essential for the optimal functioning of a microbolometer, is therefore achieved by placing the microbolometer under vacuum. A pressure of less than approximately 10 2 mbar is necessary to obtain maximum sensitivity.
Pour atteindre un tel niveau de vide, la matrice de pixels microbolométriques est encapsulée sous vide dans une cavité. Cette encapsulation nécessite classiquement l’emploi d’une technique de scellement métallique hermétique pour maintenir le niveau de vide recherché pendant toute la durée de vie du composant. To achieve such a vacuum level, the array of microbolometric pixels is vacuum encapsulated in a cavity. This encapsulation conventionally requires the use of a hermetic metal sealing technique to maintain the desired level of vacuum throughout the life of the component.
Cependant, réaliser une soudure métallique implique un échauffement du système, ce qui entraîne la désorption des molécules de gaz piégées dans ou sur les parois de la cavité. En outre, lorsque la cavité est scellée, le gaz de la cavité ne peut plus être évacué par un système de pompage externe. Un dispositif spécifique d’absorption de ce gaz doit donc être présent dans la cavité. Ce dispositif est appelé « getter ». Il s’agit d’un film mince métallique déposé dans la cavité du MEMS. Il est initialement passivé par son oxyde natif, mais lorsqu’il est chauffé, la diffusion de cette couche superficielle dans le volume rend sa surface réactive. Elle piège alors les espèces gazeuses présentes dans son environnement, abaissant ainsi la pression de la cavité. Le getter est alors dit « activé ». Le niveau de vide atteint dans une cavité est donc contrôlé par la quantité de molécules gazeuses absorbées par le film getter. Cette quantité dépend : However, making a metal weld involves heating the system, which leads to the desorption of gas molecules trapped in or on the walls of the cavity. In addition, when the cavity is sealed, the gas from the cavity can no longer be evacuated by an external pumping system. A specific device for absorbing this gas must therefore be present in the cavity. This device is called a “getter”. This is a thin metallic film deposited in the MEMS cavity. It is initially passivated by its native oxide, but when heated, the diffusion of this surface layer in the volume makes its surface reactive. It then traps the gaseous species present in its environment, thus lowering the pressure in the cavity. The getter is then said to be “activated”. The vacuum level reached in a cavity is therefore controlled by the quantity of gas molecules absorbed by the getter film. This quantity depends on:
• des propriétés intrinsèques du getter : de la nature chimique du film mince, de sa microstructure et de la surface du dépôt ; et • intrinsic properties of the getter: the chemical nature of the thin film, its microstructure and the surface of the deposit; and
• des conditions d’activation du getter : elles sont fixées par le cycle de scellement, puisque réchauffement thermique du procédé de scellement métallique est classiquement utilisé pour activer le film getter, afin de réduire le coût de production. • getter activation conditions: they are set by the sealing cycle, since thermal heating of the metal sealing process is conventionally used to activate the getter film, in order to reduce the production cost.
Pour fonctionner, le getter actif doit simplement être en contact avec le gaz à absorber. Le film getter est donc déposé indistinctement sur les zones inutilisées du substrat du MEMS, ou sur les parois du boîtier d’encapsulation, de manière continue ou discontinue. To function, the active getter must simply be in contact with the gas to be absorbed. The getter film is therefore deposited indiscriminately on the unused areas of the MEMS substrate, or on the walls of the encapsulation box, continuously or discontinuously.
La recherche constante d’une miniaturisation des MEMS entraîne une diminution des volumes de la cavité. Le rapport de la surface des parois sur le volume de la cavité étant croissant avec la réduction du volume, la pression partielle des gaz désorbés dans la cavité est elle aussi croissante. Des getters de plus en plus efficaces doivent donc être mis en œuvre. The constant search for MEMS miniaturization leads to a decrease in the volumes of the cavity. As the ratio of the surface area of the walls to the volume of the cavity increases with the reduction in volume, the partial pressure of the gases desorbed in the cavity is also increasing. More and more efficient getters must therefore be implemented.
Pour élaborer un getter fonctionnel, c’est-à-dire capable d’absorber toutes les molécules désorbées dans la cavité d’un MEMS lors du scellement, il existe plusieurs solutions distinctes pouvant être mises en œuvre pour les cavités de faibles volumes. To develop a functional getter, that is to say capable of absorbing all the molecules desorbed in the cavity of a MEMS during sealing, there are several distinct solutions that can be implemented for low volume cavities.
Une solution, décrite dans le document US 7,998,319, consiste à utiliser un film getter poreux en déposant ledit film par pulvérisation cathodique. La porosité du film getter permet d’améliorer l’efficacité du getter en créant des micro-canaux à l’intérieur desquels les molécules peuvent être captées par le film getter. Une autre méthode de dépôt d’un film getter connue est le dépôt physique en phase vapeur. Cependant, pour des faibles volumes de cavité, le document US 7,998,319 indique que cette méthode de dépôt est mal appropriée, principalement en raison du fait que les films déposés deviennent compacts, et donc ne présentent pas les caractéristiques de grande surface effective et grande porosité nécessaires au bon fonctionnement du getter. One solution, described in document US Pat. No. 7,998,319, consists in using a porous getter film by depositing said film by cathodic sputtering. The porosity of the getter film makes it possible to improve the efficiency of the getter by creating micro-channels inside which the molecules can be picked up by the getter film. Another known method of depositing a getter film is physical vapor deposition. However, for low cavity volumes, document US Pat. No. 7,998,319 indicates that this deposition method is poorly suited, mainly due to the fact that the deposited films become compact, and therefore do not have the characteristics of large effective surface area and high porosity required. the proper functioning of the getter.
D’autres solutions proposent d’augmenter la surface effective du film getter en réalisant un dépôt dudit film avec une surface texturée. Par exemple ces solutions sont utilisées dans les documents US 7,789,949, US 5,701,008, US 2014/0175590, US 6,923,625, US 9,637,377, US 9,511,998, US 2009/0261464, EP 2 897 162, ou US 7,871,660. Other solutions propose to increase the effective surface of the getter film by depositing said film with a textured surface. For example, these solutions are used in documents US 7,789,949, US 5,701,008, US 2014/0175590, US 6,923,625, US 9,637,377, US 9,511,998, US 2009/0261464, EP 2 897 162, or US 7,871,660.
Cette porosité peut également être obtenue par un film déposé sur une sous-couche, tel que décrit dans les documents US 2016/0040282 ou US 9,005,353. Dans ces solutions, les films getter devant avoir une grande surface effective, la méthode de dépôt privilégiée pour les élaborer est la pulvérisation cathodique, car elle permet d’obtenir des films poreux. This porosity can also be obtained by a film deposited on an underlayer, as described in documents US 2016/0040282 or US 9,005,353. In these solutions, since the getter films must have a large effective surface area, the preferred deposition method for producing them is cathode sputtering, since it allows porous films to be obtained.
En outre, pour minimiser la désorption des gaz lors du scellement et, ainsi, limiter les contraintes d’efficacité du matériau getter, le document US 9,240,362 propose de procéder à un recuit de dégazage sous vide à une température inférieure à celle d’activation du getter préalablement au scellement de la cavité. In addition, to minimize the desorption of the gases during sealing and, thus, limit the efficiency constraints of the getter material, document US Pat. No. 9,240,362 proposes to carry out a degassing annealing under vacuum at a temperature below that of activation of the. getter prior to sealing the cavity.
Cependant, cette méthode allonge le temps de cycle et elle n’est applicable qu’à des cas restreints de procédé d’encapsulation. En effet, si le getter est de nouveau exposé à l’air ambiant entre son pré-recuit et le cycle de scellement, sa surface poreuse piège à nouveau du gaz : le dégazage n’est donc pas efficace. En revanche, si le recuit de dégazage est effectué dans le four de scellement, et que le recuit est immédiatement suivi du cycle de scellement, alors les cordons de scellement de la cavité subissent aussi nécessairement le recuit de pré-dégazage. Or, cela peut dégrader la qualité de la soudure, en particulier pour des techniques de scellement à basse température, typiquement proches de 250°C. Le pré dégazage dans le four de scellement n’est donc réalisable qu’avec des techniques de scellement à haute température, typiquement supérieures à 350°C, pour lesquelles la quantité de gaz désorbés dans la cavité lors du scellement est importante. Ces solutions de l’état de la technique ne permettent pas d’atteindre un niveau de vide très poussé, typiquement 5.102 mbar, pour des cavités de très faibles volumes, par exemple proches de 1 mm3. However, this method lengthens the cycle time and it is applicable only to limited cases of encapsulation process. Indeed, if the getter is again exposed to ambient air between its pre-annealing and the sealing cycle, its porous surface again traps gas: degassing is therefore not effective. On the other hand, if the degassing annealing is carried out in the sealing furnace, and the annealing is immediately followed by the sealing cycle, then the sealing beads of the cavity also necessarily undergo the pre-degassing annealing. However, this can degrade the quality of the weld, in particular for low temperature sealing techniques, typically close to 250 ° C. Pre-degassing in the sealing furnace can therefore only be carried out with high temperature sealing techniques, typically greater than 350 ° C., for which the quantity of gas desorbed in the cavity during sealing is large. These solutions of the state of the art do not make it possible to achieve a very high vacuum level, typically 5.10 2 mbar, for cavities of very low volumes, for example close to 1 mm 3 .
Le problème technique que se propose de résoudre l’invention est donc de déterminer comment obtenir un niveau de vide très poussé en réduisant le volume d’une cavité d’un MEMS tout en utilisant un procédé de fabrication le plus simple possible. The technical problem which the invention proposes to solve is therefore to determine how to obtain a very high vacuum level by reducing the volume of a cavity of a MEMS while using the simplest possible manufacturing process.
EXPOSE DE L’INVENTION DISCLOSURE OF THE INVENTION
L’invention est issue d’une première observation selon laquelle l’argon est le gaz qui limite le niveau de vide pouvant être atteint par les solutions de l’état de la technique. Pour arriver à cette observation, les gaz désorbés dans une cavité MEMS, notamment celle d’un microbolomètre, ont été analysés après le scellement de la cavité. Cette analyse a montré que les gaz désorbés sont majoritairement constitués d’hydrogène, d’azote, d’oxydes de carbone, et de composés de carbone et d’hydrogène, tels que le méthane. The invention arises from a first observation that argon is the gas which limits the vacuum level that can be reached by the solutions of the state of the art. To arrive at this observation, the gases desorbed in a MEMS cavity, in particular that of a microbolometer, were analyzed after the sealing of the cavity. This analysis showed that the desorbed gases consist mainly of hydrogen, nitrogen, carbon oxides, and carbon and hydrogen compounds, such as methane.
Contre toute attente, cette analyse a également révélé une forte quantité d’argon. Surprisingly, this analysis also revealed a high amount of argon.
Or, parmi ces gaz, le seul gaz qui ne peut pas être capté par le getter est l’argon et ce gaz est très utilisé dans les procédés de micro-fabrication en salle blanche. Ainsi, après le scellement de la cavité, chaque atome d’argon désorbé augmente irrémédiablement la pression dans la cavité. However, among these gases, the only gas that cannot be captured by the getter is argon and this gas is widely used in clean room micro-manufacturing processes. Thus, after sealing the cavity, each desorbed argon atom irreparably increases the pressure in the cavity.
Fort de cette observation, il a été recherché toutes les sources de piégeage d’argon dans le substrat ou les parois de la cavité pouvant désorber de l’argon après le scellement de la cavité. Il a été remarqué que le procédé de dépôt du getter par pulvérisation cathodique entraîne l’incorporation d’argon dans le film getter lors de son dépôt. En outre, la porosité tant recherchée des films getter entraîne également un piégeage des molécules d’argon présentes dans l’air. L’invention est également issue d’une seconde observation selon laquelle il est possible d’absorber toutes les molécules de gaz, autres que l’argon, dégazées dans une cavité de faible volume avec des surfaces spécifiques aussi faibles que celles obtenues par un dépôt non poreux, aussi simplement obtenu que par évaporation sur un substrat plan et non texturé. On the basis of this observation, all sources of argon trapping in the substrate or the walls of the cavity capable of desorbing argon after sealing the cavity were sought. It has been observed that the process for depositing the getter by cathode sputtering results in the incorporation of argon into the getter film during its deposition. In addition, the much sought-after porosity of getter films also results in trapping of argon molecules present in the air. The invention is also the result of a second observation according to which it is possible to absorb all the gas molecules, other than argon, degassed in a small volume cavity with specific surfaces as low as those obtained by a deposit. non-porous, as easily obtained as by evaporation on a flat, non-textured substrate.
Pour répondre au problème technique, l’invention propose d’utiliser un procédé de fabrication d’un MEMS dans lequel le film getter est déposé par un dépôt physique en phase vapeur de sorte à limiter l’incorporation d’argon lors du dépôt du film getter. En outre, cette technique de dépôt permet d’obtenir un film getter très faiblement poreux limitant la captation de l’argon présent dans l’air. To answer the technical problem, the invention proposes to use a method of manufacturing a MEMS in which the getter film is deposited by a physical vapor deposition so as to limit the incorporation of argon during the deposition of the film. getter. In addition, this deposition technique makes it possible to obtain a very weakly porous getter film that limits the capture of argon present in the air.
A cet effet, selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un microsystème électromécanique comportant les étapes suivantes : To this end, according to a first aspect, the invention relates to a method of manufacturing an electromechanical microsystem comprising the following steps:
■ réalisation d’un élément électromécanique sur un substrat ; ■ production of an electromechanical element on a substrate;
■ préparation d’un boîtier d’encapsulation de sorte à former une cavité hermétique intégrant ledit élément électromécanique, ladite cavité hermétique présentant un volume inférieur à 10 mm3 ; ■ preparation of an encapsulation box so as to form a hermetic cavity integrating said electromechanical element, said hermetic cavity having a volume of less than 10 mm 3 ;
■ dépôt physique en phase vapeur d’un film getter sur ledit substrat ou sur une paroi du boîtier d’encapsulation de sorte que le film getter présente une surface spécifique d’absorption inférieure à 8 m2/g ; le film getter étant déposé sur le substrat en l’absence de tout nettoyage préalable dudit substrat impliquant un gaz noble ; et ■ physical vapor deposition of a getter film on said substrate or on a wall of the encapsulation box so that the getter film has a specific absorption surface area of less than 8 m 2 / g; the getter film being deposited on the substrate in the absence of any prior cleaning of said substrate involving a noble gas; and
■ scellement du boîtier d’encapsulation sur le substrat au moyen d’un cycle thermique de scellement dont la température permet d’activer ledit film getter. ■ sealing of the encapsulation box on the substrate by means of a thermal sealing cycle, the temperature of which makes it possible to activate said getter film.
Au sens de l’invention, la « surface spécifique d’absorption » est mesurée par la méthode BET, pour Brunauer, Emmett et Teller, telle que décrite dans la publication scientifique de Françoise ROUQUEROL, Jean ROUQUEROL, Isabelle BEURROIES, Philip LLEWELLYN, et Renaud DENOYEL, « Texture des matériaux divisés - Aire spécifique des matériaux pulvérulents ou nanoporeux », Techniques de l’Ingénieur, référence P1050, 2017. Cette méthode permet de mesurer la surface spécifique d’absorption d’une quantité de gaz pour déterminer la porosité d’un solide. Selon l’invention, l’expression « surface spécifique d’absorption » décrit à la fois la capacité d’absorption et la capacité d’adsorption du solide, c’est-à-dire la capacité d’un solide à permettre la pénétration d’une espèce gazeuse et la capacité d’un solide à fixer une espèce gazeuse sur sa surface. For the purposes of the invention, the “specific absorption surface” is measured by the BET method, for Brunauer, Emmett and Teller, as described in the scientific publication by Françoise ROUQUEROL, Jean ROUQUEROL, Isabelle BEURROIES, Philip LLEWELLYN, and Renaud DENOYEL, "Texture of divided materials - Specific area of powdery or nanoporous materials", Techniques de l'Ingénieur, reference P1050, 2017. This method makes it possible to measure the specific surface area of absorption of a quantity of gas to determine the porosity of a solid. According to the invention, the expression “specific absorption surface” describes both the absorption capacity and the adsorption capacity of the solid, that is to say the capacity of a solid to allow penetration. of a gaseous species and the ability of a solid to fix a gaseous species on its surface.
En outre, cette surface spécifique d’absorption inférieure à 8 m2/g rend négligeable la désorption d’argon dans la cavité due à la présence du getter. Ainsi, il est possible d’estimer la surface spécifique d’absorption du film getter en analysant la désorption d’argon du film getter. In addition, this specific absorption surface area of less than 8 m 2 / g makes the desorption of argon in the cavity due to the presence of the getter negligible. Thus, it is possible to estimate the specific absorption surface of the getter film by analyzing the argon desorption of the getter film.
Pour ce faire, il est possible d’utiliser une analyse des gaz résiduels, telle que décrite dans la publication scientifique P.-L. Charvet, P. Nicolas, D. Bloch, B. Savomin, «MEMS packaging reliability assessment Residual Gas Analysis », Microelectronics Reliability 53 (2013) 1622-1627. Ce type d’analyse consiste à placer une cavité à analyser dans une enceinte sous ultravide. En perçant la cavité présente dans l’enceinte, il est possible de mesurer le volume et la nature de tous les gaz extraits de l’enceinte suite au perçage de la cavité. To do this, it is possible to use a residual gas analysis, as described in the scientific publication P.-L. Charvet, P. Nicolas, D. Bloch, B. Savomin, “MEMS packaging reliability assessment Residual Gas Analysis”, Microelectronics Reliability 53 (2013) 1622-1627. This type of analysis involves placing a cavity to be analyzed in an enclosure under ultra-high vacuum. By drilling the cavity present in the chamber, it is possible to measure the volume and nature of all the gases extracted from the chamber following the drilling of the cavity.
En chauffant un MEMS pendant 30 minutes à une température de 300°C, il est possible de forcer une désorption importante d’argon du substrat et des parois d’une cavité. By heating a MEMS for 30 minutes at a temperature of 300 ° C, it is possible to force a significant desorption of argon from the substrate and the walls of a cavity.
Il est ainsi possible de mesurer la quantité de gaz désorbée après cette étape de chauffage pour un MEMS intégrant un film getter et pour le même MEMS exempt d’un tel film getter. Si la différence de proportion d’argon mesurée entre les deux MEMS est inférieure à 10%, l’argon désorbé par le film getter est considéré comme négligeable par rapport à l’argon désorbé par le substrat et les parois de la cavité, et il est possible de conclure que le film getter présente une surface spécifique d’absorption inférieure à 8 m2/g. It is thus possible to measure the quantity of gas desorbed after this heating step for a MEMS incorporating a getter film and for the same MEMS free from such a getter film. If the difference in the proportion of argon measured between the two MEMS is less than 10%, the argon desorbed by the getter film is considered negligible compared to the argon desorbed by the substrate and the walls of the cavity, and it It is possible to conclude that the getter film has a specific absorption surface area of less than 8 m 2 / g.
Le dépôt physique en phase vapeur du film getter, tel que le film getter présente une surface spécifique d’absorption inférieure à 8 m2/g, permet ainsi d’obtenir une cavité avec une faible quantité d’argon. Les autres gaz pouvant être captés par le film getter, l’invention permet d’améliorer le niveau de vide pouvant être atteint dans une cavité de faible volume. L’invention remet ainsi en cause le préjugé technique exposé ci-dessus selon lequel le niveau de vide de 102 mbar peut être atteint dans une cavité de faible volume d’un MEMS uniquement en réalisant un getter poreux ou en structurant la surface du getter. En effet, le dépôt physique en phase vapeur d’un film getter permet d’obtenir un niveau de vide de 5.102 mbar dans des cavités de très faible volume, par exemple inférieur à 2 mm3, car cette technique de dépôt limite l’incorporation d’argon lors du dépôt et permet d’obtenir un film getter très faiblement poreux, limitant le piégeage des atomes d’argon présents dans l’air lors de l’exposition inévitable du getter à l’air ambiant. The physical vapor deposition of the getter film, such that the getter film has a specific absorption surface area of less than 8 m 2 / g, thus makes it possible to obtain a cavity with a small amount of argon. As the other gases can be captured by the getter film, the invention makes it possible to improve the vacuum level that can be reached in a low volume cavity. The invention thus calls into question the technical prejudice exposed above according to which the vacuum level of 10 2 mbar can be reached in a small volume cavity of a MEMS only by producing a porous getter or by structuring the surface of the getter. . Indeed, the physical vapor deposition of a getter film makes it possible to obtain a vacuum level of 5.10 2 mbar in very small volume cavities, for example less than 2 mm 3 , because this deposition technique limits the incorporation of argon during deposition and makes it possible to obtain a very weakly porous getter film, limiting the trapping of the argon atoms present in the air during the inevitable exposure of the getter to ambient air.
L’invention est donc particulièrement avantageuse pour les MEMS intégrant des microbolomètres, pour lesquels le niveau de vide est essentiel pour maintenir leurs performances dans le temps. The invention is therefore particularly advantageous for MEMS incorporating microbolometers, for which the vacuum level is essential to maintain their performance over time.
En outre, certaines techniques de fabrication mettent en œuvre un nettoyage du substrat avec un plasma d’argon avant de déposer le film getter sur le substrat. Il a été observé que cette technique entraîne l’absorption d’argon dans le substrat avant le scellement. Pour limiter la désorption d’argon lors du scellement, le film getter est déposé sur le substrat sans nettoyage préalable du substrat impliquant un gaz noble. In addition, some manufacturing techniques involve cleaning the substrate with argon plasma before depositing the getter film on the substrate. This technique has been observed to cause the absorption of argon into the substrate prior to sealing. To limit argon desorption during sealing, the getter film is deposited on the substrate without prior cleaning of the substrate involving a noble gas.
De préférence, le dépôt physique en phase vapeur du film getter est réalisé en chauffant un creuset contenant les charges d’évaporation par effet Joule ou grâce à un faisceau d’électrons, sous une pression inférieure à 107 mbar de sorte à limiter la quantité d’argon incorporée dans la couche de getter. Preferably, the physical vapor deposition of the getter film is carried out by heating a crucible containing the evaporation charges by the Joule effect or by means of an electron beam, under a pressure of less than 10 7 mbar so as to limit the quantity of argon incorporated into the getter layer.
De préférence, le scellement est réalisé à une température comprise entre 250 et 350°C, typiquement 300°C. En utilisant une température de scellement proche de 300°C, il est possible d’utiliser les méthodes connues et éprouvées pour obtenir le scellement et l’activation du getter. Preferably, the sealing is carried out at a temperature between 250 and 350 ° C, typically 300 ° C. By using a sealing temperature close to 300 ° C, it is possible to use known and proven methods to achieve sealing and getter activation.
De préférence, le getter comprend au moins l’un des éléments suivants : Baryum, Lanthane, Scandium, Titane, Zirconium, Niobium, Yttrium, Vanadium, Hafnium, Tantale, Fer, Cobalt, Nickel, Palladium, Platine et Aluminium, seuls ou en mélange. Par exemple, des résultats performants ont été obtenus avec un getter réalisé en alliage de Titane- Yttrium. En effet, un vide de 3.102 mbar a été obtenu pour une cavité de 1 mm3 scellée à 300°C. Preferably, the getter comprises at least one of the following elements: Barium, Lanthanum, Scandium, Titanium, Zirconium, Niobium, Yttrium, Vanadium, Hafnium, Tantalum, Iron, Cobalt, Nickel, Palladium, Platinum and Aluminum, alone or in mixed. For example, high-performance results have been obtained with a getter made of a titanium-yttrium alloy. In fact, a vacuum of 3.10 2 mbar was obtained for a 1 mm 3 cavity sealed at 300 ° C.
Selon un second aspect, G invention concerne un microsystème électromécanique comportant : According to a second aspect, the invention relates to an electromechanical microsystem comprising:
■ un substrat supportant un élément électromécanique ; ■ a substrate supporting an electromechanical element;
■ un boîtier d’encapsulation fixé sur ledit substrat de sorte à former une cavité hermétique intégrant ledit élément électromécanique ; et ■ an encapsulation case fixed on said substrate so as to form a hermetic cavity integrating said electromechanical element; and
■ un film getter déposé dans la cavité hermétique sur le substrat ou sur une paroi du boîtier d’encapsulation ; la cavité hermétique présentant un volume inférieur à 10 mm3 ; le film getter présentant une surface spécifique d’absorption inférieure à 8 m2/g ; le film getter étant déposé sur le substrat en l’absence de tout nettoyage préalable dudit substrat impliquant un gaz noble. ■ a getter film deposited in the hermetic cavity on the substrate or on a wall of the encapsulation box; the hermetic cavity having a volume of less than 10 mm 3 ; the getter film having a specific absorption surface area of less than 8 m 2 / g; the getter film being deposited on the substrate in the absence of any prior cleaning of said substrate involving a noble gas.
La surface spécifique d’absorption du film getter inférieure à 8 m2/g est préférentiellement obtenue par le dépôt physique en phase vapeur précédemment décrit. The specific absorption surface of the getter film of less than 8 m 2 / g is preferably obtained by the physical vapor deposition described above.
Par exemple, cette surface spécifique d’absorption peut être obtenue par évaporation selon un axe normal ou faiblement incliné, c’est-à-dire avec un angle inférieur à 40°, par rapport au substrat. Le substrat est alors entraîné en rotation sur lui-même autour de Taxe d’évaporation au cours de l’évaporation du matériau getter de sorte à former un film getter avec la surface spécifique d’absorption décrite. For example, this specific absorption surface can be obtained by evaporation along a normal or slightly inclined axis, that is to say with an angle of less than 40 °, relative to the substrate. The substrate is then rotated on itself around the evaporation tax during the evaporation of the getter material so as to form a getter film with the specific absorption surface described.
Selon un autre exemple, cette surface spécifique d’absorption peut être obtenue par pulvérisation cathodique. La pression de gaz porteur est alors déterminée en fonction de la nature du film getter à pulvériser et de la puissance du plasma. Le substrat peut également être entraîné en rotation sur lui-même autour de Taxe de pulvérisation au cours de l’évaporation du matériau getter de sorte à former un film getter avec la surface spécifique d’absorption décrite. According to another example, this specific absorption surface can be obtained by cathodic sputtering. The carrier gas pressure is then determined as a function of the nature of the getter film to be sprayed and of the power of the plasma. The substrate can also be rotated on itself around the spray base during the evaporation of the getter material so as to form a getter film with the specific absorption surface described.
En variante, tout autre dépôt permettant d’obtenir une surface spécifique d’absorption inférieure à 8 m2/g peut être utilisé. Les observations ont montré que le dégazage d’argon dû à l’exposition à l’air ambiant et au piégeage d’argon dans les pores du getter est lié à la surface spécifique d’absorption. Ainsi, une mesure de la surface spécifique d’absorption permet de savoir si le phénomène de piégeage d’argon pourrait ou non se produire en fonction de la caractéristique de surface spécifique d’absorption d’un getter spécifique. As a variant, any other deposit making it possible to obtain a specific absorption surface area of less than 8 m 2 / g can be used. Observations have shown that the outgassing of argon due to exposure to ambient air and to the entrapment of argon in the pores of the getter is related to the specific absorption surface. Thus, a measurement of the specific absorption surface makes it possible to know whether or not the phenomenon of argon trapping could occur as a function of the specific absorption surface characteristic of a specific getter.
DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
La manière de réaliser l’invention ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien des modes de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif mais non limitatif, à l’appui de la figure annexée : The manner of carrying out the invention as well as the advantages which result therefrom will emerge from the following embodiments, given as an indication but not limited to, in support of the appended figure:
La figure 1 est un ordinogramme des étapes du procédé de fabrication d’un microsystème électromécanique selon un mode de réalisation de l’invention. Figure 1 is a flowchart of the steps of the manufacturing process of an electromechanical microsystem according to one embodiment of the invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Dans la suite de la description, l’invention sera décrite en référence à un composant optoélectronique 10, bien que l’invention puisse également s’appliquer à d’autres dispositifs MEMS sans changer l’invention. In the following description, the invention will be described with reference to an optoelectronic component 10, although the invention can also be applied to other MEMS devices without changing the invention.
La figure 1 illustre les étapes de réalisation d’un composant optoélectronique 10 encapsulé dans une enceinte 12 sous une pression prédéterminée, par exemple sous une pression inférieure à 5.102 mbar. L’enceinte 12 est formée par le scellement de parois latérales 17 d’un boîtier hermétique 18 sur un substrat 13 au moyen d’un joint de scellement métalliqueFIG. 1 illustrates the steps for producing an optoelectronic component 10 encapsulated in an enclosure 12 under a predetermined pressure, for example under a pressure less than 5.10 2 mbar. The enclosure 12 is formed by the sealing of side walls 17 of a hermetic housing 18 to a substrate 13 by means of a metal seal.
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Pour ce faire, une première étape 30 consiste à réaliser l’élément électromécanique 11 sur le substrat 13. Par exemple, le substrat 13 peut intégrer un circuit de lecture et l’élément électromécanique 11 peut correspondre à un microbol om être non refroidi monté en suspension au-dessus du substrat 13 au moyen de plots et de bras de soutien. Pour ce faire, une ou plusieurs couches sacrificielles sont utilisées et sont structurées pour former les plots et les différentes couches de la membrane du microbolomètre. En outre, sous cette membrane, le microbolomètre 11 peut comporter un réflecteur 16. En parallèle de cette première étape 30, une seconde étape 31 consiste à préparer un boîtier d’encapsulation 18 destiné à former une cavité hermétique 12 autour de l’élément électromécanique 11. Pour ce faire, des parois latérales 17 sont structurées sensiblement à la verticale d’un substrat destiné à former le dessus du boîtier d’encapsulation 18. Une fenêtre optique 14 peut également être structurée dans ce substrat supérieur de sorte à filtrer les rayonnements électromagnétiques captés par le microbol omètre 11. To do this, a first step 30 consists in producing the electromechanical element 11 on the substrate 13. For example, the substrate 13 can integrate a read circuit and the electromechanical element 11 can correspond to a microbol or be uncooled mounted in suspension above the substrate 13 by means of studs and support arms. To do this, one or more sacrificial layers are used and are structured to form the pads and the different layers of the microbolometer membrane. In addition, under this membrane, the microbolometer 11 may include a reflector 16. In parallel with this first step 30, a second step 31 consists in preparing an encapsulation box 18 intended to form a hermetic cavity 12 around the electromechanical element 11. To do this, the side walls 17 are structured substantially vertically. of a substrate intended to form the top of the encapsulation box 18. An optical window 14 can also be structured in this upper substrate so as to filter the electromagnetic radiation picked up by the microbolometer 11.
Suite à cette seconde étape 31, une troisième étape 32 consiste à déposer un film getter 15 sur le substrat 13 ou sur une paroi du boîtier d’encapsulation 18. Tel qu’illustré sur la figure 1, le film getter 15 peut être déposé à côté de la fenêtre optique 14 sur la paroi supérieure du boîtier d’encapsulation 18. En variante, le film getter 15 peut-être déposé à côté du réflecteur 16 ou sur les parois latérales 17. Following this second step 31, a third step 32 consists in depositing a getter film 15 on the substrate 13 or on a wall of the encapsulation box 18. As illustrated in FIG. 1, the getter film 15 can be deposited at side of the optical window 14 on the upper wall of the encapsulation box 18. As a variant, the getter film 15 can be deposited next to the reflector 16 or on the side walls 17.
Dans tous les cas, le film getter 15 est destiné à être disposé à l’intérieur de l’enceinte 12 de sorte à capter les gaz désorbés dans ladite enceinte, et à maintenir un niveau de vide inférieur à 5.102 mbar dans cette dernière. In all cases, the getter film 15 is intended to be placed inside the enclosure 12 so as to capture the gases desorbed in said enclosure, and to maintain a vacuum level of less than 5.10 2 mbar in the latter.
Selon l’invention, ce film getter 15 est déposé par un dépôt physique en phase vapeur de sorte à obtenir une surface spécifique d’absorption inférieure à 8 m2/g. De préférence, la surface de dépôt de ce film getter 15 n’est pas nettoyée par un procédé impliquant de l’argon avant le dépôt du film getter 15 de sorte à éviter l’incorporation d’argon dans la paroi du boîtier d’encapsulation 18 ou sur le substrat 13. According to the invention, this getter film 15 is deposited by physical vapor deposition so as to obtain a specific absorption surface area of less than 8 m 2 / g. Preferably, the deposition surface of this getter film 15 is not cleaned by a process involving argon before the deposition of the getter film 15 so as to avoid the incorporation of argon into the wall of the encapsulation box. 18 or on the substrate 13.
De préférence, le film getter 15 comprend au moins l’un des éléments suivants Baryum, Lanthane, Scandium, Titane, Zirconium, Niobium, Yttrium, Vanadium, Hafnium, Tantale, Fer, Cobalt, Nickel, Palladium, Platine et Aluminium, seul ou en mélange. Par exemple, le film getter 15 peut être réalisé en alliage de Titane- Yttrium. Preferably, the getter film 15 comprises at least one of the following elements Barium, Lanthanum, Scandium, Titanium, Zirconium, Niobium, Yttrium, Vanadium, Hafnium, Tantalum, Iron, Cobalt, Nickel, Palladium, Platinum and Aluminum, alone or mixed. For example, the getter film 15 can be made of a titanium-yttrium alloy.
Le dépôt physique en phase vapeur du film getter 15 consiste à chauffer un creuset intégrant le matériau getter de sorte à obtenir son évaporation. Cette évaporation est réalisée sous vide, de préférence à une pression inférieure à 107 mbar. L’évaporation du matériau getter est contrôlée par un courant électrique ou un faisceau d’électrons de sorte que les particules du matériau getter évaporées s’agglomèrent sur la surface cible, c’est-à-dire sur une surface du substrat 13 ou d’une paroi du boîtier d’encapsulation 18. Pour ce faire, l’évaporation par effet Joule consiste à chauffer le creuset par un courant électrique alors que l’évaporation par faisceau d’électrons consiste à appliquer un faisceau d’électrons dirigé sur le creuset. The physical vapor deposition of the getter film 15 consists in heating a crucible incorporating the getter material so as to obtain its evaporation. This evaporation is carried out under vacuum, preferably at a pressure of less than 10 7 mbar. The evaporation of the getter material is controlled by an electric current or an electron beam so that the particles of the evaporated getter material agglomerate on the target surface, that is to say on a surface of the substrate 13 or d 'a wall of the encapsulation box 18. To do this, the evaporation by Joule effect consists in heating the crucible by an electric current while the evaporation by electron beam consists in applying a beam of electrons directed on the crucible.
Lorsque le film getter 15 est déposé sur le substrat 13 ou sur une paroi du boîtier d’encapsulation 18, ledit boîtier peut être scellé sur le substrat 13, lors d’une étape 33. Pour ce faire, un cordon de soudure métallique 20 est déposé entre le substrat 13 et l’extrémité inférieure des parois latérales 17 du boîtier d’encapsulation 18. Ce cordon de soudure 20 est ensuite chauffé de sorte à obtenir une interface hermétique entre l’extrémité inférieure des parois latérales 17 du boîtier d’encapsulation 18 et le substrat 13. When the getter film 15 is deposited on the substrate 13 or on a wall of the encapsulation box 18, said box can be sealed on the substrate 13, during a step 33. To do this, a metal weld bead 20 is used. deposited between the substrate 13 and the lower end of the side walls 17 of the encapsulation box 18. This weld bead 20 is then heated so as to obtain a hermetic interface between the lower end of the side walls 17 of the encapsulation box 18 and substrate 13.
La température de chauffe de ce cordon de soudure 20 est préférentiellement comprise entre 250 et 350°C, de sorte à permettre une activation du film getter 15 lors de la montée en température du cordon de soudure 20. Un cycle de scellement thermique très simple peut être mis en œuvre : une première phase de montée en température, une seconde phase de stabilisation de la température à la température de chauffe pendant une durée prédéterminée, et une troisième phase de diminution progressive de la température. Dans ce cycle de scellement, le temps de stabilisation ainsi que les temps de montée et de descente de la température peuvent être ajustés en fonction du matériau getter et du matériau du cordon de soudure 20 de sorte à obtenir une activation efficace du film getter 15 et une soudure hermétique de l’enceinte 12. En outre, il est également possible d’utiliser des cycles de scellements plus complexes avec des paliers de dégazage. The heating temperature of this weld bead 20 is preferably between 250 and 350 ° C, so as to allow activation of the getter film 15 when the temperature of the weld bead 20 rises. A very simple thermal sealing cycle can be achieved. be implemented: a first phase of temperature rise, a second phase of stabilization of the temperature at the heating temperature for a predetermined time, and a third phase of gradual decrease in temperature. In this sealing cycle, the stabilization time as well as the rise and fall times of the temperature can be adjusted depending on the getter material and the material of the weld bead 20 so as to obtain an efficient activation of the getter film 15 and hermetic welding of the enclosure 12. In addition, it is also possible to use more complex sealing cycles with degassing stages.
L’activation du film getter est obtenue au moyen d’une migration de la couche de passivation formée à la surface du film getter 15 suite au contact entre le film getter et l’oxygène. Cette couche de passivation peut correspondre à une couche de nitrure si un procédé spécifique de recuit a été utilisé, tel que décrit dans le document US 9,051,173, ou à une fine couche métallique en or, en palladium ou en nickel, tel que décrit dans les documents US 6,923,625 et US 9,240,362. Activation of the getter film is obtained by means of migration of the passivation layer formed on the surface of the getter film 15 following contact between the getter film and oxygen. This passivation layer can correspond to a layer of nitride if a specific annealing process has been used, as described in document US Pat. No. 9,051,173, or to a thin metallic layer of gold, palladium or nickel, as described in the documents. documents US 6,923,625 and US 9,240,362.
Ces différentes étapes de micro fabrication permettent d’obtenir une enceinte 12 avec un très faible niveau d’argon, puisque ces étapes de réalisation limitent la désorption d’argon dans la cavité 12. En outre, le film getter 15 déposé par évaporation permet d’absorber toutes les autres molécules de gaz dégazées dans la cavité 12. Ce faisant, il est possible d’obtenir un niveau de vide inférieur à 5.102 mbars dans une cavité hermétique 12 présentant un volume inférieur à 2 mm3, typiquement une cavité 12 d’un volume d’environ 1 mm3. These various micro-fabrication steps make it possible to obtain an enclosure 12 with a very low level of argon, since these production steps limit the desorption of argon in the cavity 12. In addition, the getter film 15 deposited by evaporation makes it possible to '' absorb all the other gas molecules degassed in cavity 12. In doing so, it is possible to obtain a vacuum level of less than 5.10 2 mbar in an airtight cavity 12 having a volume of less than 2 mm 3 , typically a cavity 12 with a volume of approximately 1 mm 3 .
L’invention permet ainsi d’obtenir à microsystème électromécanique 10 avec une cavité hermétique 12 de très faible volume et avec un niveau de vide poussé. The invention thus makes it possible to obtain a microelectromechanical system 10 with a hermetic cavity 12 of very low volume and with a high vacuum level.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d’un microsystème électromécanique (10) comportant les étapes suivantes : 1. A method of manufacturing a microelectromechanical system (10) comprising the following steps:
■ réalisation (30) d’un élément électromécanique (11) sur un substrat (13) ; ■ production (30) of an electromechanical element (11) on a substrate (13);
■ préparation (31) d’un boîtier d’encapsulation (18) de sorte à former une cavité hermétique (12) intégrant ledit élément électromécanique (11), ladite cavité hermétique (12) présentant un volume inférieur à 10 mm3 ; ■ preparation (31) of an encapsulation box (18) so as to form a hermetic cavity (12) integrating said electromechanical element (11), said hermetic cavity (12) having a volume of less than 10 mm 3 ;
■ dépôt physique en phase vapeur (32) d’un film getter (15) sur le substrat (13) ou sur une paroi (17) du boîtier d’encapsulation (18) de sorte que le film getter (15) présente une surface spécifique d’absorption inférieure à 8 m2/g ; le film getter (15) étant déposé sur le substrat (13) en l’absence de tout nettoyage préalable dudit substrat (13) impliquant un gaz noble (13) ; et ■ physical vapor deposition (32) of a getter film (15) on the substrate (13) or on a wall (17) of the encapsulation box (18) so that the getter film (15) has a surface specific absorption less than 8 m 2 / g; the getter film (15) being deposited on the substrate (13) in the absence of any prior cleaning of said substrate (13) involving a noble gas (13); and
■ scellement (33) du boîtier d’encapsulation (18) sur le substrat (13) au moyen d’un cycle thermique de scellement dont la température permet d’activer le film getter (15). ■ sealing (33) of the encapsulation box (18) on the substrate (13) by means of a thermal sealing cycle, the temperature of which activates the getter film (15).
2. Procédé de fabrication d’un microsystème électromécanique selon la revendication 1, dans lequel le dépôt physique en phase vapeur du film getter (15) est réalisé à une pression inférieure à 107 mbar. 2. A method of manufacturing a microelectromechanical system according to claim 1, wherein the physical vapor deposition of the getter film (15) is carried out at a pressure below 10 7 mbar.
3. Procédé de fabrication d’un microsystème électromécanique selon l’une des revendications 1 à 2, dans lequel le scellement (33) est réalisé à une température comprise entre 250 et 350°C. 3. A method of manufacturing a microelectromechanical system according to one of claims 1 to 2, wherein the sealing (33) is performed at a temperature between 250 and 350 ° C.
4. Procédé de fabrication d’un microsystème électromécanique selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le film getter (15) comprend au moins l’un des éléments suivants : Baryum, Lanthane, Scandium, Titane, Zirconium, Niobium, Yttrium, Vanadium, Hafnium, Tantale, Fer, Cobalt, Nickel, Palladium, Platine et Aluminium, seul ou en mélange. 4. A method of manufacturing an electromechanical microsystem according to one of claims 1 to 3, wherein the getter film (15) comprises at least one of the following elements: Barium, Lanthanum, Scandium, Titanium, Zirconium, Niobium, Yttrium, Vanadium, Hafnium, Tantalum, Iron, Cobalt, Nickel, Palladium, Platinum and Aluminum, alone or in mixture.
5. Procédé de fabrication d’un microsystème électromécanique selon la revendication 4, dans lequel le film getter (15) est réalisé en alliage de Titane- Yttrium. 5. A method of manufacturing an electromechanical microsystem according to claim 4, in which the getter film (15) is made of a titanium-yttrium alloy.
6. Microsystème électromécanique (10) comprenant : 6. Electromechanical microsystem (10) comprising:
■ un substrat (13) supportant un élément électromécanique (11) ; ■ a substrate (13) supporting an electromechanical element (11);
■ un boîtier d’encapsulation (18) fixé sur ledit substrat (13) de sorte à former une cavité hermétique (12) intégrant ledit élément électromécanique (11) ; et ■ an encapsulation box (18) fixed on said substrate (13) so as to form a hermetic cavity (12) integrating said electromechanical element (11); and
■ un film getter (15) déposé dans ladite cavité hermétique (12) sur ledit substrat (13) ou sur une paroi (17) dudit boîtier d’encapsulation (18) ; caractérisé : ■ a getter film (15) deposited in said hermetic cavity (12) on said substrate (13) or on a wall (17) of said encapsulation box (18); characterized:
■ en ce que la cavité hermétique (12) présente un volume inférieur à 10 mm3 ; ■ in that the hermetic cavity (12) has a volume of less than 10 mm 3 ;
■ et en ce que le film getter (15) présente une surface spécifique d’absorption inférieure à 8 m2/g ; le film getter (15) étant déposé sur le substrat (13) en l’absence de tout nettoyage préalable dudit substrat (13) impliquant un gaz noble (13). ■ and in that the getter film (15) has a specific absorption surface area of less than 8 m 2 / g; the getter film (15) being deposited on the substrate (13) in the absence of any prior cleaning of said substrate (13) involving a noble gas (13).
7. Microsystème électromécanique selon la revendication 6, dans lequel le film getter (15) comprend au moins l’un des éléments suivants : Baryum, Lanthane, Scandium, Titane, Zirconium, Niobium, Yttrium, Vanadium, Hafnium, Tantale, Fer, Cobalt, Nickel, Palladium, Platine et Aluminium, seul ou en mélange. 7. Microsystem electromechanical according to claim 6, wherein the getter film (15) comprises at least one of the following elements: Barium, Lanthanum, Scandium, Titanium, Zirconium, Niobium, Yttrium, Vanadium, Hafnium, Tantalum, Iron, Cobalt , Nickel, Palladium, Platinum and Aluminum, alone or in combination.
8. Microsystème électromécanique selon la revendication 7, dans lequel le film getter (15) est réalisé en alliage de Titane- Yttrium. 8. Electromechanical microsystem according to claim 7, in which the getter film (15) is made of a titanium-yttrium alloy.
9. Microsystème électromécanique selon l’une des revendications 6 à 8, dans lequel la cavité hermétique (12) présente un niveau de vide inférieur à 5.102 mbar. 9. Electromechanical microsystem according to one of claims 6 to 8, wherein the hermetic cavity (12) has a vacuum level of less than 5.10 2 mbar.
10. Microsystème électromécanique selon l’une des revendications 6 à 9, dans lequel la cavité hermétique (12) présente un volume inférieur à 2 mm3. 10. Electromechanical microsystem according to one of claims 6 to 9, wherein the hermetic cavity (12) has a volume of less than 2 mm 3 .
11. Microsystème électromécanique selon l’une des revendications 6 à 10, dans lequel l’élément électromécanique (11) correspond à au moins un microbolomètre. 11. Electromechanical microsystem according to one of claims 6 to 10, wherein the electromechanical element (11) corresponds to at least one microbolometer.
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