FR2721471A1 - Transducteur ultrasonore et procédé de fabrication d'un tel transducteur. - Google Patents
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Abstract
L'invention a pour objet un transducteur ultrasonore (38), caractérisé en ce qu'il comprend une membrane (4a) en nitrure de silicium d'épaisseur comprise entre 0,1 et 0,5 mum avec une contrainte mécanique intrinsèque comprise entre 100 MPa et 1,3 GPa, et une électrode fixe (15) réalisée en matériau rigide non métallique et munie d'une pluralité d'orifices (25) de faible diamètre moyen, ladite électrode fixe définissant avec ladite membrane un espace interne d'épaisseur comprise entre 1 et 5 mum. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un tel transducteur ultrasonore.
Description
La présente invention est relative à un transducteur ultrasonore constitué d'une membrane et d'une électrode fixe ainsi qu'aux procédés de réalisation desdites membrane et électrode fixe et au procédé de fabrication dudit transducteur ultrasonore à partir de la membrane et de l'électrode fixe.
On connaît deux grandes familles de transducteurs ultrasonores parmi lesquelles on peut citer les transducteurs à effet piézo-électrique qui sont classiquement constitués d'un disque piézo-électrique en céramique monté sur un substrat et muni d'une ou de plusieurs couches d'adaptation d'impédance.
La structure en céramique d'un tel transducteur peut résonner radialement ou suivant son épaisseur ou encore de façon combinée.
Ces transducteurs sont très résonants jusqu'à des fréquences supérieures à 100kHz et sur une bande de fréquences étroite mais offrent néanmoins un mauvais rendement en terme de puissance rayonnée.
Les transducteurs ultrasonores de type bimorphe constituent la seconde grande famille et ces transducteurs sont généralement constitués d'une membrane vibrante sous laquelle est disposée un disque piézoélectrique.
Ces transducteurs, plus sensibles que les transducteurs à effet piézoélectrique précités, sont très résonnants mais, par contre, ne permettent pas d'atteindre des fréquences de résonance supérieures à 100 kHz.
La Demanderesse s'est aperçue qu'il serait intéressant de pouvoir fabriquer des transducteurs ultrasonores très résonnants avec un pic de résonance défini avec une précision aisément reproductible d'un transducteur à l'autre et suivant un processus de fabrication peu coûteux. Ce pic de résonance devrait pouvoir être obtenu sur la gamme ultrasonore et notamment à partir de 100 kHz.
La présente invention a ainsi pour objet un transducteur ultrasonore comprenant une membrane en nitrure de silicium d'épaisseur comprise entre 0,1 et 0,5ci avec une contrainte mécanique intrinsèque comprise entre 100 MPa et 1,3 GPa, et une électrode fixe réalisée en matériau rigide non métallique et munie d'une pluralité d'orifices de faible diamètre moyen, ladite électrode fixe définissant avec ladite membrane un espace inteme d'épaisseur comprise entre 1 et 5 um.
Ce transducteur ultrasonore possède du fait de son procédé de fabrication toutes les qualités requises pour avoir une fréquence de résonance ultrasonore ajustable, supérieure à 20kHz, définie avec une grande précision qui est d'ailleurs parfaitement reproductible. Ceci est dû notamment à la faible masse et à la grande rigidité de la membrane que l'on peut obtenir par le procédé de fabrication.
II est tout à fait possible de conférer à la membrane une contrainte mécanique intrinsèque comprise entre 100 MPa et 1,3 GPa et ainsi d'ajuster la fréquence de résonance du transducteur ultrasonore à une valeur comprise entre 20 kHz et 1 MHz.
Selon d'autres caractéristiques du transducteur ultrasonore: - la membrane en nitrure de silicium a une épaisseur de préférence comprise entre 0,3 et 0,5 Rm, - I'électrode fixe est réalisée en matériau semiconducteur ou en céramique, - I'électrode fixe a une épaisseur supérieure à 20 ,um, - les orifices de l'électrode fixe ont un diamètre moyen compris entre 25 et 100 clam.
La présente invention a également pour objet un procédé de réalisation d'une membrane utilisée dans la fabrication du transducteur ultrasonore précité caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer les étapes suivantes: - on forme une couche d'isolant électrique sur deux faces opposées dites avant et arrière d'un substrat en matériau semiconducteur, - on dépose une couche de nitrure de silicium sur chacune des deux couches d'isolant, - on implante ioniquement dans la couche de nitrure de silicium située en face avant dudit substrat un matériau adapté en vue de diminuer la contrainte mécanique intrinsèque de ladite couche de nitrure de silicium, - en vue de former une membrane en nitrure de silicium, on réalise les étapes a) à c) suivantes::
- a) on grave sélectivement les couches de nitrure de silicium et d'isolant situées en face arrière du substrat,
- b) on grave de façon anisotrope ledit substrat à partir de sa face arrière,
- c) et l'on grave sélectivement la couche d'isolant située en face avant du substrat - et l'on réalise au moins un contact électrique sur ladite membrane en face arrière du substrat.
- a) on grave sélectivement les couches de nitrure de silicium et d'isolant situées en face arrière du substrat,
- b) on grave de façon anisotrope ledit substrat à partir de sa face arrière,
- c) et l'on grave sélectivement la couche d'isolant située en face avant du substrat - et l'on réalise au moins un contact électrique sur ladite membrane en face arrière du substrat.
Avantageusement, ce procédé inclut une étape d'implantation ionique d'une couche de nitrure de silicium de faible épaisseur, par exemple de l'ordre de 0,1 à 0,5 lm, qui permet de diminuer la contrainte mécanique intrinsèque de ladite couche.
En effet, les ions ainsi implantés créent des défauts dans la couche de nitrure de silicium, induisant par conséquent un relâchement de la contrainte mécanique intrinsèque.
L'implantation ionique est effectuée avec une dose d'ions provenant d'un matériau appartenant aux colonnes III à V de la classification périodique des éléments et, par exemple du Bore, comprise entre 5.1013 et 5.1015 ions/cm2 et l'énergie d'accélération de ces ions est comprise entre 35 et 150 keV.
L'énergie des ions est calculée de façon à obtenir le maximum d'ions à l'interface entre la couche de nitrure de silicium et la couche d'isolant électrique sous-jacente.
On effectue ensuite une opération de recuit du substrat revêtu de sa couche de nitrure de silicium implantée ioniquement afin d'augmenter la contrainte mécanique de ladite couche.
Le recuit s'effectue dans une gamme de températures allant de 500 à 800"C pendant une durée comprise entre 15 minutes et quelques heures.
Grâce au recuit, il est donc possible d'ajuster de façon précise la fréquence de résonance ultrasonore à la valeur souhaitée.
Par ailleurs, le recuit permet d'obtenir une meilleure reproductibilité des valeurs de contraintes mécaniques dans la membrane d'un substrat à l'autre par rapport à une simple implantation ionique.
En outre, lors de la réalisation en série de plusieurs membranes sur plusieurs substrats, il est possible de se contenter d'une implantation ionique excessive identique pour tous les substrats qui va donc fortement réduire les contraintes mécaniques dans les couches de nitrure de silicium et ensuite d'ajuster la contrainte mécanique finale recherchée par des recuits adaptés.
Le recuit permet également d'améliorer la stabilité à long terme de la contrainte mécanique dans la couche de nitrure de silicium et donc d'améliorer la stabilité du futur transducteur ultrasonore.
La Demanderesse s'est aperçue qu'il est plus avantageux d'utiliser une couche de nitrure de silicium (membrane) d'épaisseur comprise entre 0,3 et 0, 5 lim afin de réduire sa fragilité et donc d'améliorer son comportement mécanique lors des étapes suivantes de formation de la membrane par gravure ainsi que les autres étapes.
De plus, cette gamme d'épaisseur constitue le meilleur compromis possible entre la solidité de la membrane et sa sensibilité, en terme de conversion d'énergie mécanique en énergie acoustique et également de conversion d'énergie acoustique en énergie mécanique.
On forme par exemple la couche d'isolant électrique par oxydation thermique des deux faces du substrat et la couche d'isolant a par exemple une épaisseur de 1,um, et cette épaisseur peut même être inférieure à 1 hum. La réalisation du contact électrique est obtenue par métallisation de la face arrière du substrat.
En outre, préalablement à la réalisation du contact électrique et après gravure anisotropique de la majeure partie du substrat, on enlève par gravure sélective les couches de nitrure de silicium et d'isoiant qui restent en face arrière du substrat.
Selon une autre mode de réalisation de l'invention, il est également possible d'envisager, avant de déposer la couche de nitrure de silicium sur la face avant du substrat revêtue d'une couche d'isolant électrique, de graver ladite couche d'isolant sur toute son épaisseur de manière à laisser une couche d'isolant périphérique.
Après cette opération, on effectue le dépôt de la couche de nitrure de silicium, son implantation ionique, éventuellement son recuit et ensuite, on structure ladite couche de nitrure de silicium implantée ioniquement de manière à laisser dégagée la couche d'isolant périphérique qui servira à définir l'espace interne et qui recevra par exemple un agent de scellement tel que du "PYREX" en vue de l'assemblage final du transducteur ultrasonore.
Ainsi, ce mode de réalisation permet de mieux contrôler la formation de l'espace interne entre la membrane et une électrode fixe.
Toutefois, dans ce mode de réalisation qui sera décrit ultérieurement plus en détails, I'épaisseur de la couche d'isolant électrique qui est par exemple formée par oxydation thermique des deux faces du substrat a une épaisseur qui doit être supérieure à 1 lit permettant ainsi de prédéterminer l'épaisseur de l'espace interne.
La présente invention a aussi pour objet un procédé de réalisation d'une électrode fixe utilisée dans la fabrication du transducteur ultrasonore précité, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer les étapes suivantes à partir d'un substrat en matériau semiconducteur ayant deux faces opposées dites avant et arrière:: - on forme au moins une couche de protection sur la face arrière dudit substrat - on forme l'électrode fixe, d'une part, en gravant sélectivement ladite couche de protection située en face arrière du substrat et, d'autre part, en gravant de façon anisotrope ledit substrat à partir de sa face arrière, après avoir préalablement protégé la face avant vis à vis de la gravure anisotrope, - on grave dans ledit substrat une cavité principale située en regard de ladite électrode fixe et au moins une cavité secondaire destinée aux contacts électriques, - on forme au moins une couche d'isolant électrique dans la cavité centrale et dans au moins une cavité secondaire, - on forme une couche de protection métallique en face avant du substrat, - on grave sélectivement au droit de ladite cavité principale lesdites couches métallique, d'isolant et l'électrode fixe de manière à former une pluralité d'orifices dans ladite électrode fixe. La cavité principale a une profondeur comprise entre 1,5 et 2,5 um.
La couche de protection en face arrière du substrat est constituée d'un isolant électrique résistant aux agents de gravure et peut être constituée de nitrure de silicium mais il est alors préférable d'effectuer une implantation ionique de ladite couche avec un matériau appartenant aux colonnes III à V de la classification périodique des éléments en vue de diminuer la contrainte mécanique intrinsèque de celle-ci et donc d'adapter cette contrainte à celle du substrat.
II est également possible de former deux couches de protection sur la face arrière du substrat, une première couche en contact avec ledit substrat étant formée d'un isolant électrique tel qu'un oxyde et une seconde couche de nitrure de silicium sur laquelle il n'est pas nécessaire d'effectuer une implantation ionique puisqu'elle n'est pas en contact direct avec le substrat.
Pour éviter que la face avant ne soit attaquée lors de la gravure anisotrope du substrat par la face arrière, il faut la protéger et l'on peut, par exemple, se contenter d'une protection identique à celle formée en face arrière dudit substrat.
II est possible de graver dans le substrat au moins deux cavités secondaires, I'une destinée à des contacts électriques de l'électrode fixe et l'autre prévue pour réaliser un contact électrique avec le substrat.
On forme ensuite la couche d'isolant électrique dans la cavité principale et dans au moins une cavité secondaire par dépôt d'une couche d'isolant électrique puis par gravure de ladite couche.
On grave notamment la couche d'isolant électrique dans la cavité secondaire prévue pour établir un contact électrique avec le substrat.
Après formation d'une couche de protection métallique en face avant du substrat sur les couches d'isolant précités, on grave ladite couche de protection métallique de manière à former des contacts électriques en vis-à-vis des cavités principale et secondaires.
II est également possible de réaliser ultérieurement le contact électrique avec le substrat et par contre de former avant la réalisation de ce contact les orifices de l'électrode fixe mais cela complique davantage le procédé.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication du transducteur ultrasonore précité à partir de la membrane et de l'électrode fixe respectivement obtenues par les procédés précédemment mentionnés. Suivant ce procédé de fabrication, on dépose un agent de scellement sur une partie périphérique de la face avant de la membrane ou de l'électrode fixe, on positionne la membrane en vis-à-vis de l'électrode fixe et on les assemble de manière à ce qu'elles forment entre elles un espace interne de faible épaisseur, par exemple comprise entre 1 et 5 lm.
L'agent de scellement utilisé peut être une colle, du "PYREX" (marque déposée) ou tout autre agent de scellement approprié.
Lorsque l'agent de scellement est du "PYREX", I'assemblage se fait par un scellement anodique et il est donc prévu, avant de déposer le "PYREX", de retirer des faces avant et arrière de l'électrode fixe les parties restantes des diverses couches ayant servi de protection, de retirer de la face avant de la membrane l'éventuelle couche de protection et de former sur les zones non gravées de ladite face avant de l'électrode fixe une couche de protection définitive.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - les figures 1 à 12 sont des vues en coupe transversale représentant chacune une étape importante du procédé de réalisation d'une membrane utilisée pour la fabrication d'un transducteur ultrasonore selon un mode de réalisation de l'invention, - les figures 13 à 23 sont des vues en coupe transversale représentant chacune une étape importante du procédé de réalisation d'une électrode fixe utilisée pour la fabrication d'un transducteur ultrasonore selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 24 est une vue en coupe transversale représentant le transducteur ultrasonore assemblé selon l'invention, - la figure 25 représente une courbe de réponse en fréquence d'un transducteur ultrasonore selon l'invention avec une fréquence de résonance à 100 kHz.
Dans des conditions de fabrication usuelles, les procédés de réalisation selon l'invention permettent bien évidemment de réaliser simultanément plusieurs membranes et plusieurs électrodes fixes à partir d'un même substrat pour chaque procédé et donc de fabriquer ensuite simultanément plusieurs transducteurs ultrasonores sous la forme d'un réseau de transducteurs.
Toutefois, en vue de simplifier l'exposé qui va suivre, seules une membrane et une électrode fixe seront représentées.
On va s'intéresser en premier lieu à la réalisation de la membrane qui va être décrite en référence aux figures 1 à 12.
Comme représenté à la figure 1, on utilise un substrat 1 de résistivité moyenne dopée p, comprise entre 1 et 20 Q/cm, et par exemple une plaquette de silicium monocristallin dont l'orientation cristalline est du type < 100 > d'épaisseur égale à 520 um et qui présente deux grandes faces opposées 1 a, lb dites avant et arrière. Cette plaquette 1 est nettoyée de manière usuelle puis l'on forme sur chacune de ses grandes faces opposées une couche d'isolant électrique 2, 3.
Par exemple, on effectue une oxydation thermique du silicium sur par exemple 111m tel que représenté sur la figure 1.
L'étape suivante dont le résultat est illustré à la figure 2 consiste à délimiter l'espace interne qui formera avec la membrane et l'électrode fixe une capacité variable.
Pour ce faire, on dépose une couche de résine photosensible (non représentée), par exemple à la tournette, sur la couche d'oxyde 2 en face avant la de la plaquette 1, on effectue un recuit à 600C, on aligne un masque de photogravure (non représenté), avec ladite plaquette, on insole cette couche de résine à travers ledit masque, on développe la couche de résine insolée avec le masque, on effectue un autre recuit à 120"C, on réalise une gravure de la couche d'oxyde 2 dans la partie centrale à l'aide d'un agent de gravure tel que l'acide fluorhydrique en solution diluée afin de former l'espace interne.
Ensuite, il ne reste plus qu'à retirer la couche de résine photosensible restante puis à nettoyer de manière classique les surfaces.
On obtient alors une zone périphérique 2a de la couche d'oxyde définissant en son centre l'espace interne.
L'étape suivante (fig.3) du procédé consiste à déposer une couche de nitrure de silicium 4, 5 comprise entre 0,1 et 0,5 lim et par exemple d'environ 0,3 um sur chacune des deux faces oxydées ou partiellement oxydées de la plaquette 1.
Ce dépôt s'effectue par exemple par une technique connue de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD).
On réalise ensuite une implantation ionique, dans la couche de nitrure de silicium 4 située en face avant de la plaquette, d'un matériau appartenant aux colonnes III à V de la classification périodique des éléments, comme par exemple le bore en vue de diminuer la contrainte mécanique intrinsèque de ladite couche de nitrure de silicium (figure 4).
On peut également utiliser comme autre matériau adapté pour l'implantation ionique de l'oxygène.
Pour cette implantation, on utilise une dose d'ions comprise entre 5.1013 et 5.1015 ions/cm2 et par exemple égale à 2.1015 ions/cm2.
L'énergie d'accélération des ions est comprise entre 35 et 150 kev et est par exemple égale à 100 kev. Le choix de la dose d'ions et de l'énergie d'accélération est fait en fonction de leur taille et de leur masse.
On mesure, par exemple au moyen de la méthode Blister décrite dans l'article de S.D. Senturia, M.G. Allen and M. Mehregany, "Microfabricated structures for the in-situ measurements of residual stress, Young's modulus, and ultimate strain of the films", Appl. Phys. Lett. 51, (4), (1992), 241-243, la contrainte mécanique intrinsèque de la couche de nitrure de silicium qui fournit une valeur inférieure à 100 MPa.
Comme cela a été expliqué précédemment, on peut souhaiter ajuster avec précision la fréquence de résonance ultrasonore et l'on procède pour cela à une opération de recuit dans un four à une température de 600 "C pendant 30 minutes.
II convient de noter que le recuit permet donc d'augmenter la contrainte mécanique intrinsèque du nitrure de silicium et d'obtenir avec une grande précision cette contrainte et par là meme la fréquence de résonance du futur transducteur ultrasonore, ce qui est très utile si la contrainte a été trop fortement réduite lors de l'implantation ionique ou si la contrainte approche par valeur inférieure la valeur souhaitée mais avec une précision insuffisante.
Grâce au recuit, il n'est donc pas nécessaire de bien maîtriser l'étape d'implantation ionique.
Lorsque la contrainte mécanique intrinsèque du nitrure de silicium a été ajustée à la valeur souhaitée qui va permettre d'obtenir avec précision la fréquence ultrasonore de résonance désirée, par exemple 400 MPa, on procède alors à la structuration de cette membrane à partir de la face arrière.
Pour cela, on dépose à la tournette une couche de résine photosensible (non représentée) sur la face arrière de la plaquette, c'est à dire sur la face extérieure de la couche 5, on effectue un recuit à 600C, on aligne un masque de photogravure (non représenté) avec la plaquette, on insole cette couche de résine à travers ledit masque, on développe et on effectue un autre recuit à 12000.
Ensuite, on grave de manière sélective la couche de nitrure de silicium 5 par attaque ionique réactive (RIE) en présence d'ions d'hexafluorure de soufre et d'oxygène (gravure sèche), puis la couche d'oxyde 3 par gravure humide dans une solution HF/NH4F 1:7.
On retire ensuite la couche de résine photosensible restante et l'on nettoie classiquement les surfaces.
Comme représenté sur la figure 5, on obtient alors une zone périphérique formée d'une partie 5a de la couche de nitrure de silicium et d'une partie 3a de la couche d'oxyde laissant dégagée sur une zone centrale la face arrière lb de la plaquette 1.
On effectue ensuite une photogravure en face avant de la plaquette de manière à graver la couche 4 de nitrure de silicium pour faire apparaître la zone périphérique 2a de la couche d'oxyde 2.
Cette photogravure est identique à celle décrite précédemment et comporte les étapes suivantes: - dépôt d'une couche de résine photosensible en face avant, - recuit à 60"C, - insolation à travers un masque, - développement, - recuit à 1200C.
La couche 4 de nitrure de silicium est gravée par attaque ionique réactive en présence d'ions d'hexafluorure de soufre et d'oxygène puis l'on enlève la couche de résine photosensible restante et l'on nettoie classiquement les surfaces (figure 6).
Comme représenté sur la figure 7, on dépose par dépôt cathodique ou par évaporation sous vide une couche 6 de *PYREX 7740" (marque déposée) comprise entre 1 et 3 cm et par exemple de 2 um.
On effectue ensuite une photogravure en face avant de la plaquette 1 de manière à graver la couche 6 de "PYREX" pour faire apparaître la zone centrale restante 4a de la couche 4 de nitrure de silicium implantée ioniquement et ainsi former une zone périphérique 6a de la couche de "PYREX* (figure 8).
Cette photogravure est effectuée selon les étapes explicitées précédemment: - dépôt d'une couche de résine photosensible en face avant, - recuit à 60"C, - insolation à travers un masque, - développement, - recuit à 1200C.
La couche 6 de "PYREX" est alors gravée (gravure humide) dans une solution de HF dilué.
II faut toutefois préciser que si l'on n'utilise pas le "PYREX" comme agent de scellement, on peut se passer de l'étape illustrée par la figure 2 qui consiste à préformer l'espace interne en structurant une zone périphérique 2a de la couche d'oxyde 2 en face avant de la plaquette 1.
Dans ce cas, L'agent de scellement qui peut être une colle et par exemple un polyimide ou une résine époxy, n'est déposé qu'après avoir réalisé la membrane et l'électrode fixe, juste avant l'assemblage.
Une autre variante pourrait consister à préformer l'espace interne en structurant une zone périphérique 2a de la couche d'oxyde 2 en face avant de la plaquette 1 comme déjà décrit mais à ne déposer la couche de PYREX qu'après avoir réalisé la membrane et l'électrode fixe.
Pour cette variante, il convient toutefois de graver cette couche de "PYREX" avant d'envisager le scellement de la membrane et de l'électrode fixe.
Maintenant, on va s'intéresser à la structuration de la membrane en nitrure de silicium qui est réalisée à partir de la face arrière lb de la plaquette tel que représenté aux figures 9 à 11.
Suivant une première étape (fig.9), on grave de façon anisotrope la plaquette 1 en silicium à partir de sa face arrière 1 b dégagée, à l'aide d'une solution contenant l'agent de gravure KOH dilué à 30% et portée à une température de l'ordre de 70 à 90"C.
Comme représenté sur la figure 9, on grave la plaquette 1 jusqu'à obtenir une épaisseur de silicium par exemple de 5 um avant d'atteindre la zone centrale 4a de la couche de nitrure de silicium 4.
Pendant cette étape, on peut prévoir de protéger, par exemple mécaniquement avec une plaque de verre, la face avant la de la plaquette.
On effectue ensuite un rinçage à l'eau déionisée puis l'on retire l'éventuelle protection en face avant et l'on nettoie de manière classique les surfaces.
Une deuxième étape (fig.10) consiste alors à éliminer de la face arrière lb de la plaquette les zones périphériques 3a et 5a des couches respectives d'oxyde et de nitrure de silicium. On peut réaliser cette étape par gravure sélective, d'une part, par attaque ionique réactive en présence d'ions hexafluorure de la zone 5a de la couche de nitrure de silicium et, d'autre part, par gravure humide dans une solution
HF/NH4F1:7 de la zone 3a de la couche d'oxyde 3.
HF/NH4F1:7 de la zone 3a de la couche d'oxyde 3.
II convient de noter qu'il est préférable de réaliser cette étape lorsque toute l'épaisseur de silicium n'a pas été gravée tel que cela vient d'être décrit pour ne pas endommager la membrane et plus particulièrement la zone centrale 4a de la couche 4.
Toutefois, cette étape peut être réalisée après gravure totale du silicium mais elle s'avère plus délicate pour les raisons exposées ci-dessus.
La figure 1 1 représente la troisième étape de structuration de la membrane qui consiste à effectuer une autre gravure anisotrope dans une solution contenant l'agent de gravure KOH dilué à 30% et portée à une température de 80"C à partir de la face arrière lb déjà partiellement gravée pour enlever la dernière épaisseur restante de silicium et ainsi dégager la zone centrale 4a de la couche 4.
Ensuite on rince à l'eau déionisée les surfaces et l'on nettoie de manière classique.
On peut bien sûr protéger comme déjà précisé la face avant la de la plaquette 1 pendant cette troisième étape.
II ne reste plus alors qu'à réaliser au moins un contact électrique sur la face arrière structurée de la plaquette 1.
Pour ce faire, on métallise, par exemple, toute la face arrière de la plaquette comme représenté sur la figure 12 avec une couche 7 formée d'un alliage de Nickel, de Chrome et d'Or sur environ 0,05 lm, le chrome étant disposé au contact de la face arrière de la plaquette sur environ 0,005 Rm.
Cette couche de métallisation 7 peut s'effectuer par dépôt cathodique ou par évaporation sous vide.
On va maintenant décrire en référence aux figures 13 à 23, le procédé de réalisation de l'électrode fixe.
Comme représenté à la figure 13, on utilise un substrat 10 de résistivité moyenne dopée p, comprise entre 1 et 20 Q/cm, et par exemple une plaquette de silicium monocristallin dont l'orientation cristalline est du type < 100 > , d'épaisseur égale à 5201um et qui présente deux grandes faces opposées 10a et lOb dites avant et arrière.
Cette plaquette 10 est nettoyée de manière usuelle puis l'on forme au moins une couche de protection constituée d'un isolant électrique résistant aux agents de gravure sur la face arrière 10b de ladite plaquette. On forme par exemple deux couches de protection sur chaque face 10a, 10b de la plaquette.
Une première couche 11, (reste.12) est formée par oxydation thermique du silicium en face avant 10a (resp. en face arrière lOb) sur une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,3 pm et par exemple égale à 0,2 um.
Une seconde couche 13, (resp.14) d'épaisseur comprise entre 0,1 et 0,3 clam, par exemple égale à 0,2 lm, est formée sur la couche 11 (resp.12) par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (fig. 13).
Ainsi que représenté sur la figure 14, on procède à la première étape de réalisation de l'électrode fixe par une gravure sélective des couches de protection de nitrure de silicium 14 et d'oxyde 12 situées sur la face arrière 10b de la plaquette 10.
Pour ce faire, on effectue une photogravure de la face arrière 10b en réalisant les étapes déjà décrites en détail lors de la réalisation de la membrane: - dépôt d'une couche de résine photosensible en face avant, - recuit à 60"C, - insolation à travers un masque, - développement, - recuit à 1200C.
La couche 14 de nitrure de silicium est gravée par attaque ionique réactive (RIE) en présence d'ions hexafluorure de soufre et d'oxygène (gravure sèche) puis la couche 12 d'oxyde est gravée par gravure humide dans une solution HF/NH4F 1:7.
On retire ensuite la couche de résine photosensible restante et l'on nettoie de manière classique les surfaces.
La figure 14 montre que l'on a gravé les couches de protection dans leur partie centrale pour dégager la partie centrale de la face arrière 10b de la plaquette qui va faire l'objet d'une attaque anisotrope.
Les parties restantes respectives 12a et 14a des couches de protection 12 et 14 forment une zone périphérique.
L'étape suivante consiste à effectuer une gravure anisotrope de la plaquette de silicium 10 à partir de sa face arrière lOb avec une solution contenant un agent de gravure tel que KOH dilué à 30% ét portée à une température de 75"C.
On grave ainsi le silicium jusqu'à laisser une épaisseur de silicium de 50 m formant ainsi l'électrode fixe (fig. 15).
Un rinçage à l'eau déionisée est ensuite effectué puis un nettoyage classique des surfaces.
Évidemment, il est possible de protéger la surface située en face avant de la plaquette avec une plaque de verre pendant la gravure KOH.
Consécutivement, on forme de la manière qui va être décrite en détail ciaprès une cavité principale 10 de profondeur comprise entre 1,5 et 2,5 tlm et par exemple égale à 1 um située en regard de l'électrode fixe 15 et au moins une cavité secondaire 17 destinée aux contacts électriques.
Une deuxième cavité secondaire 18 est également formée de la même manière en vue de réaliser un contact électrique avec la face avant 1 0a de la plaquette 10. Ainsi, on effectue une photogravure en face avant de la plaquette 10 suivant les étapes classiques: - dépôt d'une couche de résine photosensible en face avant, - recuit à 60"C, - insolation à travers un masque, - développement, - recuit à 1200C.
La couche de nitrure de silicium 13 est gravée par attaque ionique réactive (RIE) en présence d'ions d'hexafluorure de soufre et d'oxygène (gravure sèche) puis la couche d'oxyde 1 1 est gravée par gravure humide dans une solution HF/NH4F1:7.
Une faible épaisseur d'environ 2 tLm de la plaquette de silicium est ensuite gravée par attaque ionique réactive (RIE) en présence d'ions d'hexafluorure de soufre et d'oxygène. On retire la couche de résine photosensible restante et l'on nettoie de manière classique les surfaces.
Comme représenté sur la figure 16, on obtient ainsi une cavité centrale 16 et deux cavités secondaires 17 et 18.
L'étape qui va suivre permet d'obtenir le résultat illustré à la figure 17 et consiste à former au moins une couche d'isolant électrique 20 d'épaisseur comprise entre 0,5 et 2,5 tjm dans la cavité centrale 16 et dans au moins une cavité secondaire et par exemple égale à 1 um.
Par exemple, on forme une couche d'isolant 21, 22 dans chacune des deux cavités secondaires 17 et 18.
La couche d'isolant d'épaisseur égale à 1 cm est par exemple obtenue par oxydation thermique à 1100"C du silicium situé au fond des cavités principale 16 et secondaires 17, 18 à 1 1000C en atmosphère sèche pendant 1 heure, puis en atmosphère humide pendant 1 heure 30 et enfin en atmosphère sèche pendant 1 heure.
Ainsi que représenté à la figure 18, on grave la couche d'oxyde 20 situé dans la cavité centrale 16 pour former une pluralité de trous 23 de faible diamètre moyen compris entre 25 et 100 KLm et par exemple égal à 50 lim et l'on grave la couche d'oxyde 22 située dans la deuxième cavité secondaire 18 afin de réaliser un contact électrique avec la plaquette 10.
Pour cela on effectue les étapes suivantes: - dépôt d'une couche de résine photosensible en face avant 10a, - recuit à 60"C, - insolation à travers un masque, - développement, - recuit à 1200C.
- gravure des couches d'oxyde 20, 22 à l'aide d'une solution
HF/NH4F1 :7 - retrait de la couche de résine photosensible restante - nettoyage classique des surfaces.
HF/NH4F1 :7 - retrait de la couche de résine photosensible restante - nettoyage classique des surfaces.
La figure 19 illustre l'étape suivante de formation d'une couche de protection métallique 24 en face avant 1 0a de la plaquette.
Cette couche 24 par exemple en aluminium d'épaisseur égale à 1pLm est déposée en face avant par dépôt cathodique ou évaporation sous vide.
On procède ensuite à la photogravure des couches métallique 24 et d'oxyde 20 de la manière classique: - dépôt d'une couche de résine photosensible en face avant, - recuit à 60"C, - insolation à travers un masque, - développement, - recuit à 1200C, - gravure dans l'acide phosphorique de l'aluminium et de l'oxyde situé au droit des trous 23 formés à l'étape correspondant à la figure 18 de manière à reformer ces trous (fig.20), - rinçage à l'eau déionisée, - retrait de la couche de résine photosensible restante et nettoyage classique.
Lors de l'étape suivante dont le résultat est illustré à la figure 21, on procède à la formation d'une pluralité d'orifices 25 dans l'électrode fixe en effectuant une gravure sèche du silicium de l'électrode fixe sur toute son épaisseur (environ 50 clam) par attaque ionique réactive en présence d'ions d'hexafluorure de soufre.
L'avant dernière étape (fig. 22) consiste à effectuer une photogravure de la couche de protection métallique 24 de manière à former des contacts électriques en vis à vis des cavités principale 16 et secondaires 17 et 18.
Cette étape est réalisée de la manière suivante: - dépôt d'une couche de résine photosensible en face avant, - recuit à 60"C, - insolation à travers un masque, - développement, - recuit à 1200C, - gravure de l'aluminium dans l'acide phosphorique, - rinçage à l'eau déionisée, - retrait de la couche de résine photosensible restante et nettoyage classique.
On obtient ainsi des contacts électriques 30 dans la cavité secondaire 17, des contacts électriques 31 dans la cavité principale 16 entre les trous 23 en contact direct avec la face 10a de la plaquette 10.
On retire ensuite lors de la dernière étape (fig. 23) les parties restantes 12a et 14a des couches de protection 12 et 14 en face arrière et les parties restantes des couches de protection 11 et 13 en face avant de la plaquette 10.
On procède sur les deux faces de la plaquette 10 à une gravure sélective du nitrure de silicium 14 par attaque ionique réactive en présence d'hexafluorure de soufre et de la couche d'oxyde par gravure humide dans une solution HF/NH4F 1:7.
Dans le mode de réalisation qui vient d'être décrit et où l'on a déposé la couche 6 de "PYREX" lors de la formation de la membrane, on procède alors à la fabrication du transducteur ultrasonore 38 (fig.24) en nettoyant préalablement de manière classique les deux faces avant respectives de la membrane et de l'électrode fixe, en alignant ladite membrane et ladite électrode fixe, c'est à dire en positionnant la membrane 4a en vis-à-vis de l'électrode fixe 15 et en les mettant en contact l'une avec l'autre de manière à ce qu'elles forment entre elles un espace interne 40 de faible épaisseur.
On effectue ensuite un scellement anodique de la membrane et de l'électrode fixe de la manière décrite dans l'article "Silicon-to-silicon anodic bon ding with a borosilicate glass layer", Anders Hanneborg,
Martin Nese and Per Ohlckers, J. Micromech. Microeng.1 (1991) 139144".
Martin Nese and Per Ohlckers, J. Micromech. Microeng.1 (1991) 139144".
L'espace interne, après scellement, a une épaisseur comprise entre 1 et 5 lim et par exemple égale à 3 clam.
Le fait d'obtenir avec précision un espace interne de faible épaisseur permet d'obtenir un bon rendement en terme de conversion d'énergie électrique en énergie mécanique et inversement.
Avantageusement, en raison de cette faible épaisseur et de la faible épaisseur de membrane, on obtient un transducteur ultrasonore qui possède un très bon rendement et qui consomme donc relativement peu d'énergie électrique.
Comme cela a été déjà mentionné, il est également possible d'assembler la membrane et l'électrode fixe au moyen d'un autre agent de scellement tel qu'un polyimide qui est alors déposé par exemple manuellement sur la membrane ou l'électrode fixe.
La membrane et l'électrode fixe sont ensuite alignées comme décrit cidessus et solidarisées par chauffage à une température de 300"C.
La figure 25 représente une courbe de réponse en fréquence d'un transducteur ultrasonore selon l'invention révélant un pic de résonance parfaitement défini à une valeur de fréquence de 100 kHz.
Cette courbe est obtenue typiquement pour un transducteur ultrasonore ayant une membrane d'épaisseur égale à 0,3 m de largeur égale à îmm, dont la contrainte mécanique intrinsèque (après recuit) est de 200
MPa et qui possède un espace interne de 3,um d'épaisseur.
MPa et qui possède un espace interne de 3,um d'épaisseur.
II convient de remarquer que le procédé selon l'invention permet non seulement d'ajuster la fréquence de résonance du transducteur ultrasonore mais également d'ajuster la largeur de bande dudit transducteur en fonction de l'application envisagée.
Claims (37)
1. Transducteur ultrasonore (38), caractérisé en ce qu'il comprend
- une membrane (4a) en nitrure de silicium d'épaisseur comprise
entre 0,1 et 0,5um avec une contrainte mécanique intrinsèque
comprise entre 100 MPa et 1,3 GPa,
- une électrode fixe (15) réalisée en matériau rigide non métallique
et munie d'une pluralité d'orifices (25) de faible diamètre moyen,
ladite électrode fixe définissant avec ladite membrane un espace
interne d'épaisseur comprise entre 1 et 5 Am.
2. Transducteur ultrasonore selon la revendication 1, caractérisé en
ce que la membrane (4a) en nitrure de silicium a une épaisseur de
préférence comprise entre 0,3 et 0,5 lim.
3. Transducteur ultrasonore selon la revendication 1 ou 2, caractérisé
en ce que la contrainte mécanique intrinsèque de la membrane en
nitrure de silicium est de préférence comprise entre 100 et 600MPa.
4. Transducteur ultrasonore selon l'une des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que l'électrode fixe est réalisée en matériau
semiconducteur.
5. Transducteur ultrasonore selon l'une des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que l'électrode fixe (15) est réalisée en matériau
céramique.
6. Transducteur ultrasonore selon l'une des revendications 1 à 6,
caractérisé en ce que l'électrode fixe (15) à une épaisseur
supérieure à 20 lim.
7. Transducteur ultrasonore selon l'une des revendications 1 à 6,
caractérisé en ce que les orifices (25) de l'électrode fixe (15) ont un
diamètre moyen compris entre 25 et 100 um.
8. Procédé de réalisation d'une membrane utilisée dans la fabrication
d'un transducteur ultrasonore (38), caractérisé en ce qu'il consiste
à effectuer les étapes suivantes:
- on forme une couche d'isolant électrique (2, 3) sur deux faces
opposées dites avant (la) et arrière (lob) d'un substrat (1) en
matériau semiconducteur,
- on dépose une couche de nitrure de silicium (4, 5) sur chacune
des deux couches d'isolant (2, 3),
- on implante ioniquement dans la couche de nitrure de silicium
située en face avant (4) dudit substrat un matériau adapté en vue
de diminuer la contrainte mécanique intrinsèque de ladite couche
de nitrure de silicium,
- en vue de former une membrane (4a) en nitrure de silicium, on
réalise les étapes a) à c) suivantes::
- a) on grave sélectivement les couches de nitrure de silicium (5) et
d'isolant (3) situées en face arrière du substrat,
- b) on grave de façon anisotrope ledit substrat (1) à partir de sa
face arrière (1 b),
- c) et l'on grave sélectivement la couche d'isolant (2) située en
face avant du substrat
- et l'on réalise au moins un contact électrique (7) sur ladite
membrane en face arrière du substrat.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on forme
la couche d'isolant électrique (2, 3) par oxydation thermique des
deux faces du substrat (1).
10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que
chaque couche d'isolant (2, 3) a une épaisseur supérieure à 111m.
11. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque
couche de nitrure de silicium (4, 5) a une épaisseur comprise entre
0,1 et 0,5 jlm.
12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que chaque
couche de nitrure de silicium (4, 5) a une épaisseur de préférence
comprise entre 0,3 et 0,5 m.
13. Procédé selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce
que le matériau adapté appartient aux colonnes III à V de la
classification périodique des éléments et est, par exemple, le Bore.
14. Procédé selon les revendication 8 et 13, caractérisé en ce que
l'implantation ionique est effectuée avec une dose d'ions comprise
entre 5.1 o13 et 5.î015ionsicm2.
15. Procédé selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que
l'implantation ionique est effectuée avec une énergie d'accélération
des ions comprise entre 35 et 150 keV.
16. Procédé selon l'une des revendications 8 à 15, caractérisé en ce
que l'on effectue un recuit du substrat (1) consécutivement à
l'implantation ionique en vue d'ajuster la contrainte intrinsèque de la
couche de nitrure de silicium (4) à une valeur prédéterminée
désirée comprise entre 100 MPa et 1,3 GPa et de préférence
comprise entre 100 et 600 MPa.
17. Procédé selon la revendications 16, caractérisé en ce que le recuit
est effectué à une température comprise entre 500 et 8000C
pendant une durée allant de 15 mn à plusieurs heures.
18. Procédé selon l'une des revendications 8 à 17, caractérisé en ce
que la réalisation du contact électrique (7) est obtenue par
métallisation de la face arrière (lob) du substrat.
19. Procédé selon l'une des revendications 8 à 17, caractérisé en ce
que préalablement au dépôt de la couche de nitrure de silicium (4)
sur la face avant (la) du substrat revêtue d'une couche d'isolant (2)
on grave ladite couche d'isolant sur toute son épaisseur de manière
à laisser une couche d'isolant périphérique (2a).
20. Procédé selon les revendications 8 et 19, caractérisé en ce que l'on
structure la couche de nitrure de silicium (4) implantée ioniquement
de manière à laisser dégagée la couche d'isolant périphérique (2a).
21. Procédé selon l'une des revendications 8 à 20, caractérisé en ce
que préalablement à la réalisation d'un contact électrique (7) sur la
face arrière (1 b) du substrat et après gravure anisotropique de la
majeure partie du substrat, on enlève par gravure sélective les
couches de nitrure de silicium (5) et d'isolant (3) qui'restent sur
ladite face arrière.
22. Procédé de réalisation d'une électrode fixe utilisée dans la
fabrication d'un transducteur ultrasonore (38), caractérisé en ce
qu'il consiste à effectuer les étapes suivantes à partir d'un substrat
(10) en matériau semiconducteur ayant deux faces opposées dites
avant (10a) et arrière (10b)::
- on forme au moins une couche de protection sur la face arrière
(10b) dudit substrat (10)
- on forme l'électrode fixe (15), d'une part, en gravant sélectivement
ladite couche de protection située en face arrière du substrat (10)
et, d'autre part, en gravant de façon anisotrope ledit substrat (10) à
partir de sa face arrière, après avoir préalablement protégé la face
avant (10a) vis à vis de la gravure anisotrope,
- on grave dans ledit substrat une cavité principale (16) située en
regard de ladite électrode fixe (15) et au moins une cavité
secondaire destinée aux contacts électriques,
- on forme au moins une couche d'isolant électrique (20) dans la
cavité principale et dans au moins une cavité secondaire,
- on forme une couche de protection métallique (24) en face avant
(10a) du substrat (10),
- on grave sélectivement au droit de ladite cavité principale lesdites
couches de protection métallique (24), d'isolant et l'électrode fixe
(15) de manière à former une pluralité d'orifices (25) dans ladite
électrode fixe.
23. Procédé selon la revendication 22 caractérisé en ce que la couche
de protection est constituée d'un isolant électrique résistant aux
agents de gravure.
24. Procédé selon la revendication 22 ou 23 caractérisé en ce que la
couche de protection est constituée de nitrure de silicium.
25. Procédé selon les revendications 22 et 24, caractérisé en ce que
l'on implante ioniquement dans la couche de protection en nitrure
de silicium un matériau appartenant aux colonnes III à V de la
classification périodique des éléments en vue de diminuer la
contrainte mécanique intrinsèque de ladite couche de nitrure de
silicium.
26. Procédé selon la revendication 22, caractérisé en ce que l'on forme
deux couches de protection (12, 14) sur la face arrière du substrat
(10), une première couche (12) d'un isolant électrique en contact
avec ledit substrat et une seconde couche de nitrure de silicium (14).
27. Procédé selon l'une des revendications 22 à 26, caractérisé en ce
que l'on protège la face avant (10a) du substrat (10) vis à vis de la
gravure anisotrope en formant au moins une couche de protection
sur ladite face avant.
28. Procédé selon l'une des revendications 22 à 27, caractérisé en ce
que la cavité principale (16) a une profondeur comprise entre 1,5 et
2,5 tjm.
29. Procédé selon l'une des revendications 22 à 28, l'on grave dans le
substrat (10) au moins deux cavités secondaires (17, 18), l'une
destinée à des contacts électriques (31) de l'électrode fixe (15) et
L'autre (18) prévue pour réaliser un contact électrique (32) avec le
substrat (10).
30. Procédé selon l'une des revendications 22 à 29, caractérisé en ce
que l'on forme la couche d'isolant électrique (20) dans la cavité
principale et dans au moins une cavité secondaire par dépôt d'une
couche d'isolant électrique puis par gravure de ladite couche.
31. Procédé selon les revendications 29 et 30, caractérisé en ce que l'on
grave la couche d'isolant électrique (22) dans la cavité secondaire
(18) prévue pour établir un contact électrique (32) avec le substrat
(10).
32. Procédé selon l'une des revendications 22 à 31, caractérisé en ce
que l'on grave la couche de protection métallique (24) de manière à
former des contacts électriques (30, 31, 32) en vis-à-vis des cavités
principale (16) et secondaires (17, 18).
33. Procédé de fabrication d'un transducteur ultrasonore (38) à partir
de la membrane (4a) et de l'électrode fixe (15) respectivement
réalisées selon l'une des revendications 8 à 21 et selon l'une des
revendications 22 à 32, suivant lequel on dépose un agent de
scellement sur une partie périphérique de la face avant de ladite
membrane ou de ladite électrode fixe, on positionne la membrane
en vis-à-vis de l'électrode fixe et on les assemble de manière à ce
qu'elles forment entre elles un espace interne (40) de faible
épaisseur.
34. Procédé selon la revendication 33, caractérisé en ce que l'espace
interne (40) ainsi formé a une épaisseur comprise entre 1 et 5 clam.
35. Procédé selon la revendication 33 ou 34, caractérisé en ce que
l'agent de scellement est une colle.
36. Procédé selon la revendication 33 ou 34, caractérisé en ce que
l'agent de scellement est du "PYREX".
37. Procédé selon les revendications 26 et 36, caractérisé en ce que
préalablement au dépôt de l'agent de scellement, on retire des
faces avant et arrière de l'électrode fixe (15) les parties restantes
des couches servant de protection, on retire de la face avant de la
membrane (4a) I'éventuelle couche de protection et l'on forme une
autre couche de protection sur les zones non gravées de ladite
face avant de l'électrode fixe.
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9407488A FR2721471B1 (fr) | 1994-06-17 | 1994-06-17 | Transducteur ultrasonore et procédé de fabrication d'un tel transducteur. |
| AU27427/95A AU2742795A (en) | 1994-06-17 | 1995-06-08 | Ultrasonic transducer and method for making same |
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| PCT/FR1995/000753 WO1995035642A1 (fr) | 1994-06-17 | 1995-06-08 | Transducteur ultrasonore et procede de fabrication d'un tel transducteur |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9407488A FR2721471B1 (fr) | 1994-06-17 | 1994-06-17 | Transducteur ultrasonore et procédé de fabrication d'un tel transducteur. |
Publications (2)
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| AU (1) | AU2742795A (fr) |
| FR (1) | FR2721471B1 (fr) |
| WO (1) | WO1995035642A1 (fr) |
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| Publication number | Publication date |
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| WO1995035642A1 (fr) | 1995-12-28 |
| FR2721471B1 (fr) | 1996-08-02 |
| AU2742795A (en) | 1996-01-15 |
| EP0765590A1 (fr) | 1997-04-02 |
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