FR2947096A1

FR2947096A1 - Procede de realisation d'une membrane plane

Info

Publication number: FR2947096A1
Application number: FR0954115A
Authority: FR
Inventors: Christophe Constancias; Bernard Dalzotto; Franck Fournel; Philippe Michallon; Hubert Moriceau; Valerie Pouteau
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2010-12-24
Also published as: US20120100719A1; EP2443058A1; WO2010146138A1; US8501026B2

Abstract

Procédé de réalisation d'une membrane comportant les étapes suivantes : i. fourniture d'une couche mince (40), provenant d'un substrat (10) de type SOI, en matériau semi-conducteur, ayant une épaisseur (e) donnée, solidaire d'un cadre (2) muni d'une ouverture (7) ayant, deux dimensions surfaciques (a , b), dont une (a) est inférieure ou égale à l'autre, telle que : E, ν, ρ étant respectivement le module d'Young, le coefficient de Poisson et la densité du matériau de la couche mince, g étant l'accélération due à la gravité, β, C et C* étant des coefficient relatifs à des facteurs de forme, k.e étant une valeur limite de planéité visée, k étant compris entre 0,05% et 20%, ii. libération d'au moins une portion de la couche mince (40), au niveau de l'ouverture (7), la portion de couche mince (40) ainsi libérée, formant la membrane. La membrane présente, une fois libérée, une contrainte de compensation en tension vérifiant

Description

1 PROCÉDÉ DE REALISATION D'UNE MEMBRANE PLANE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention est relative à un procédé de réalisation d'une membrane la plus plane possible en l'absence de sollicitation extérieure. Avec le développement des nanotechnologies, une telle membrane est particulièrement intéressante si son épaisseur est à l'échelle nanométrique, ce qui signifie que son épaisseur est inférieure ou égale au micromètre (pm). Mais des conditions sont également à fixer sur ses autres dimensions et les difficultés apparaissent si la membrane est de grande étendue. La membrane possède deux dimensions surfaciques, dont l'une est inférieure ou égale à l'autre. Les conditions sur sa taille font que sa petite dimension surfacique est bien plus grande que son épaisseur. En d'autres termes, sa surface est beaucoup plus grande que son épaisseur au carré. Dans le contexte des épaisseurs nanométriques, cela signifie que la surface de la membrane est comprise entre environ un ou plusieurs millimètres au carré et quelques dizaines voire centaines de centimètres au carré. De telles membranes peuvent être utilisées dans plusieurs domaines appliqués d'instrumentations scientifiques comme par exemple en tant que masque dans la lithographie ou dans la spectrométrie à rayons X. Ces applications expriment le besoin de membranes les plus planes possible et de très faible épaisseur pour réduire les interactions avec leur environnement tel que les photons, les électrons etc. En particulier, dans le cas d'utilisations pour des spectromètres, la planéité des membranes doit être inférieure à 10% de la longueur d'onde utilisée par un spectromètre. Ces membranes peuvent également être à la base de capteurs NEMS pour Nana Electro-Mechanical Systems, en français Systèmes ElectroMécaniques Nanométriques, on parle aussi de Nanosystèmes. Les capteurs peuvent mettre à profit, lors des mesures, les déformations de la membrane dans la mesure où la membrane est plane ou quasi plane lorsqu'elle n'est pas soumise à une grandeur à détecter. Ce peut être le cas pour des capteurs de pression. On note que la présente invention n'est pas limitée aux membranes d'épaisseur nanométrique. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE On connait des procédés de fabrication de membranes de silicium dont l'épaisseur est de l'ordre du micromètre. Dans le brevet américain US 6 455 429 on part d'un substrat SOI (Silicon On Insulator soit en français silicium sur isolant) dont la couche la plus mince de silicium vaut quelques micromètres, la couche la plus épaisse entre 500 et 600 micromètres, ces deux couches étant séparées par une couche d'oxyde dont l'épaisseur vaut environ 200 à 400 nanomètres (nm). La membrane est réalisée dans la couche de silicium la plus mince, elle est délimitée par gravure à travers un masque. Une fenêtre est ouverte dans la couche de silicium la plus épaisse avec arrêt sur la couche d'oxyde. Cette étape se fait en deux temps, une première gravure permet de ne laisser qu'une épaisseur résiduelle de silicium. La gravure du silicium se fait 3 par gravures sélectives chimiques humides et/ou sèches. Enfin, la couche diélectrique est ôtée depuis la fenêtre. Dans la demande de brevet japonais JP 2001- 118775, on réalise un substrat SOI en oxydant un premier substrat de silicium de manière à entourer d'oxyde, en dopant avec du bore ou du phosphore l'une de ses faces oxydées de manière à ajuster les contraintes de l'oxyde, en assemblant le premier substrat avec un autre substrat de manière à ce que la couche d'oxyde dopée se trouve à l'interface entre les deux substrats. Par des opérations de gravure des substrats et d'élimination localisée de la couche d'oxyde dopée, on réalise la membrane au niveau du substrat oxydé après amincissement. Les membranes obtenues par les deux procédés décrits précédemment ont une planéité acceptable si leur surface n'est pas trop grande. Par contre, ces procédés ne décrivent pas l'obtention de membranes dont l'épaisseur est inférieure au micromètre. Ces membranes ne conviennent pas pour les applications citées plus haut. Dans l'article Elastically relaxed free-standing strained-silicon nanomembranes Michelle M.

Roberts et al., Nature Materials, vol. 5, May 2006, pages 388-393, il est décrit une méthode visant à réaliser une membrane flottante dont l'épaisseur, en final, peut être de quelques dizaines de nanomètres. On part d'un substrat SOI et on fait croître sur la couche de silicium la plus mince, par épitaxie, une couche de silicium germanium puis sur le silicium germanium une 4 couche surfacique de silicium. C'est cette couche surfacique de silicium qui formera en définitive la membrane recherchée. On détache de la couche d'isolant du substrat SOI un sandwich formé de la couche de silicium germanium placée entre les deux couches de silicium. Ce sandwich est alors libéré dans un liquide. Le sandwich ainsi formé peut ensuite être rapporté sur un substrat support par exemple en silicium massif. Lors de la libération du sandwich de la couche d'isolant, la relaxation élastique des contraintes fait que la couche en silicium germanium est contrainte en compression et que les couches de silicium sont contraintes en tension. Le report du sandwich sur le substrat support n'est pas critique pour le contrôle des contraintes. Les proportions de silicium et de germanium dans la couche de silicium germanium et les épaisseurs des trois couches du sandwich sont optimisées pour que le sandwich reste le plus plan possible. Par exemple, du Sio,84Geo,16 d'épaisseur 128 nanomètres associé à une couche de silicium surfacique de 48 nanomètres et une couche de silicium provenant du substrat SOI de base de 56 nanomètres convient pour conduire à un sandwich dont la planéité est acceptable dans le milieu liquide. Mais la membrane obtenue est une membrane composite multicouche et ce n'est pas ce qui est recherché. Il est alors possible pour l'homme du métier d'éliminer localement le substrat support, la couche de silicium issue du SOI, la couche de silicium germanium pour ne conserver que la couche de silicium surfacique. Cette élimination se ferait par gravure sélective. Cependant les auteurs de l'article annoncent que les épaisseurs et les compositions des couches sont difficiles à contrôler précisément, et la membrane multicouche forme une surépaisseur de l'ordre de 300 nm 5 à 400 nm au dessus du substrat support sur lequel sont positionnées les membranes. De plus, le positionnement de la membrane sur le substrat support depuis le milieu liquide n'est pas aisé, il n'est pas possible de choisir une orientation de la membrane lors de son dépôt sur le substrat support. Il peut donc être compliqué d'identifier les positions des membranes une fois déposées sur le substrat support. En outre, les inventeurs ont observé que lorsque les membranes sont produites de telle sorte que leur épaisseur devient très faible devant leur surface, quel que soit le procédé connu pour les réaliser, une flèche se forme aux environs du centre de la membrane. Cette flèche induit une déformation de la membrane qui la rend inapte aux utilisations évoquées plus haut. En particulier, les utilisations de type spectrométrie DUV (deep ultra-violet : ultra-violet profond) nécessitent des variations d'épaisseur des membranes inférieures au nanomètre avec des membranes d'épaisseur comprises entre quelques dizaines de nanomètres et quelques micromètres et dont la plus petite dimension peut être millimétrique ou centimétrique. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a justement comme but de proposer un procédé de réalisation d'au moins une membrane aussi plane que possible en l'absence de 6 sollicitation extérieure, cette membrane ayant une épaisseur très inférieure à sa surface. Les inventeurs estiment que la flèche qu'ils ont détectée est due à l'influence du poids de la membrane. Ainsi, l'omission du poids de la membrane dans les calculs de conceptualisation et de dimensionnement de la membrane conduit à réaliser des membranes ayant une flèche sans pour autant être soumises à une sollicitation extérieure. En effet, dans des cas où l'épaisseur de la membrane est très faible devant la surface de la membrane, la rigidité de la membrane n'est plus suffisante pour contrer l'effet du poids. L'influence du poids de la membrane n'est alors plus négligeable et il y a déformation de la membrane sous la forme d'une flèche. La déformation de la membrane est toujours orientée vers le sol, elle change de sens lorsque l'on retourne la membrane. Cette considération est contre-intuitive dans les micro et nano-technologies, où l'influence du 20 poids des structures est généralement considérée comme négligeable, seules les contraintes résiduelles, thermiques ou mécaniques étant prises en compte pour prévoir les déformations des membranes et donc leur dimensionnement. La présente invention a donc comme but de proposer un procédé de fabrication d'au moins une membrane dans lequel le poids de la membrane, dû à ses dimensions, est pris en compte mais dont les effets sont rendus sensiblement négligeables. Ainsi la présente invention concerne un procédé de réalisation d'au moins une membrane ayant 25 30 7 une épaisseur très faible devant sa surface, qui est aussi plane que possible, c'est-à-dire qui présente une flèche négligeable ou nulle, en dépit de son poids dont les effets ne sont pas négligeables et qui devrait imposer une flèche à la membrane. Par aussi plane que possible , on entend, par exemple, que la membrane possède, en absence de sollicitation extérieure, une flèche inférieure ou égale au nanomètre pour une épaisseur de plusieurs dizaines ou centaines de nanomètres et une surface supérieure au millimètre carré. La membrane peut avoir par exemple une épaisseur (e) comprise entre quelques dizaines de nanomètres et quelques centaines de nanomètres. Plus généralement, on entend, par cette expression, que la membrane possède, en absence de sollicitation extérieure, une flèche (h) inférieure à k fois son épaisseur (e) : le produit k.e correspond à une limite de planéité voulue et est définie par les besoins pour l'utilisation de la membrane. Le terme (k) est une constante comprise entre environ 0,05% et 20%, avantageusement entre 1so et 10%. En particulier, k peut être égal à 1% ou 5%. Le terme k.e peut par exemple valoir 1 nm. La théorie des plaques et des coques exposée par E. Bonnotte et al., dans le Journal of Physics III France 5 (1995) 953-983 , Mise en oeuvre de deux méthodes interférométriques pour la caractérisation mécanique des films minces par l'essai de gonflement. Applications au cas du silicium monocristallin permet d'écrire l'équation (1) suivante qui relie la flèche h d'une membrane carrée, de côté pression (a), en fonction de son épaisseur (e). Une P est appliquée sur la membrane. Cette membrane possède une contrainte résiduelle exprimée en tension 6résiduelle _ E e3h 1 h2 P 1 ùv a' 1213(1+v) + e + C residuelle a 2 2 eh E, v sont respectivement le module d'Young et le coefficient de Poisson du matériau de la membrane, g est l'accélération de la pesanteur (g = 9, 80665 m. s-2) , R, C et C* sont des coefficients relatifs à des facteurs de forme de la membrane. Ces coefficients sont le résultat de calculs qui dépendent de la géométrie de la membrane. L'homme du métier sait déterminer ces coefficients par simulation numerique avec des logiciels de mécanique utilisant la méthode des éléments finis, par exemple le logiciel Ansys (marque déposée de SAP Inc., filiale en propriété exclusive de ANSYS Inc.), ou par des solutions analytiques existantes moyennant des hypothèses de simplifications. En particulier, dans le cas où la membrane est carrée, R, C et C* sont respectivement tels que : R= 1,26.10-3, C = C'.Cm, C* = 13, 63, C' est une constante et vaut 21,75 ; ces valeurs sont définies à une température ambiante, par exemple de l'ordre de 20°C. On a de plus : Cm = (Co-Cl.v) - (C2-C3.v) exp [-C4.h/e] + (C5-C6. e) exp [-C7.h/e] avec : Co = 1, 41, Cl = 0,292, C3 = 1,466, C4 = 1, 4, 30 C5 = 0,173, C6 = 0, 00235, C7 = 0,1. (1) 9 La figure 1 illustre pour différentes membranes de forme carrée, obtenues par des procédés de l'art antérieur, leur flèche h en fonction de la pression P qui s'applique sur elles. La courbe B1 correspond à une membrane dont le côté vaut 2 mm et l'épaisseur 0,1 pm, la courbe B2 correspond à une membrane dont le côté vaut 3 mm et l'épaisseur 1 pm et la courbe B3 correspond à une membrane dont le côté vaut 5 mm et l'épaisseur 10 pm. On s'aperçoit que la flèche augmente très vite avec la pression et qu'elle est toujours très supérieure à l'épaisseur de la membrane pour la membrane la plus mince. Dans le cas des membranes très minces, les inventeurs considèrent que le poids, exprimé par pge, avec p densité du matériau de la membrane, est assimilable à une pression P appliquée sur la membrane. De plus, pour décrire l'effet produit par le poids propre, il faut considérer que la membrane est sans contrainte internes, résiduelles ou introduites intentionnellement. Ainsi, en se basant sur l'équation (1), la présente invention propose un procédé de fabrication d'au moins une membrane, ayant une planéité inférieure à une limite de planéité désirée, mais dont le poids devrait induire, en absence de sollicitation extérieure, une flèche supérieure à la limite de planéité désirée. Cela concerne donc en particulier un procédé de fabrication d'au moins une membrane d'épaisseur (e), dont la surface a deux dimensions (a) et (b) dont l'une, (a), est plus petite ou égale à l'autre, et vérifie l'équation (2) suivante, cette membrane ayant une flèche inférieure à k fois l'épaisseur (e) de la membrane: a E e3 (k) 1 + C. (k)2 ~4 ( 2 ) 1ùv pg 1213(1+v) avec p, densité du matériau formant la couche mince, et k.e la limite de planéité visée, k étant compris entre 0,05% et 20%, avantageusement entre 1so et 10%, par exemple 1% ou 5%, les autres paramètres ayant été présentés dans l'équation (1). Une membrane formée selon l'un des procédés de l'art antérieur évoqués plus haut et satisfaisant à l'équation (2) précitée aura, théoriquement, en se référant à l'équation (1), une flèche supérieure à k fois son épaisseur en raison de son poids propre. Elle sera donc inadéquate à toute utilisation nécessitant une planéité inférieure ou égale à k fois son épaisseur. L'invention concerne donc un procédé permettant d'obtenir des membranes ayant une planéité satisfaisante pour l'utilisation voulue, tout en ayant des dimensions vérifiant l'équation (2). Pour y parvenir, l'invention propose, un procédé de réalisation d'au moins une membrane 25 comportant au moins les étapes suivantes : i. fourniture d'une couche mince en matériau semi-conducteur, ayant une épaisseur (e) donnée, provenant d'un substrat de type SOI ; le substrat de type SOI possédant aussi, empilées avec la 30 couche mince, une couche épaisse en matériau semi- conducteur et une couche en matériau isolant électriquement, située entre la couche mince et la couche épaisse, ladite couche mince étant solidaire d'un cadre muni d'au moins une ouverture et possédant, au niveau de l'ouverture deux dimensions surfaciques (a,b) dont une première (a) est inférieure ou égale à une seconde (b), la première dimension (a) étant reliée à l'épaisseur (e) par l'équation (2) . a_ E k)[ 1 + C. (k)2 ( 2 ) 1ùv pg 1213(1+v) ii. libération d'une portion de la couche mince située au moins au niveau de l'ouverture, par retrait de la couche de matériau isolant et de la couche épaisse au niveau de l'ouverture, la portion de couche mince ainsi libérée formant la membrane. Le procédé est caractérisé en ce que la membrane présente, une fois libérée, une contrainte de compensation (oc) en tension, vérifiant l'équation (3) . ùE 1 Oz pg2 (1ùv) C*a2 12(3(1+v )+C k +C*ke (3) La contrainte de compensation (60) est une contrainte en tension suffisamment important pour contrebalancer les effets du poids de la membrane. En l'introduisant dans la membrane, on empêche ainsi la formation de la flèche et on obtient une planéité inférieure à la valeur de planéité limite voulue. Une contrainte en compression augmenterait la flèche. Il est bien entendu que s'il y a formation dans la membrane de contraintes en compression résiduelles, la membrane est conçue telle que la contrainte de compensation (6o) compense ces contraintes résiduelles en compression en plus de compenser le poids.

Comme la membrane est formée au niveau de l'ouverture du cadre, il est aisé de trouver, par exemple le centre de la membrane, grâce au cadre qui peut être retourné et sert de repère.

Dans un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention, la couche mince fournie à l'étape i provient d'un substrat de type sSOI contraint en tension. La couche mince est choisie telle qu'elle présente une contrainte en tension initiale (oini) qui vérifie l'équation (4) suivante : eoxyde 6 ini i +a oxyde e + 0 où 6oxyde est une contrainte en compression exprimée en tension présentée par la couche de matériau isolant du substrat de type sSOI, ladite couche de

matériau isolant ayant une épaisseur d'oxyde xyde La contrainte 6oxyde a donc une valeur négative. Ainsi, une contrainte 6oxyde en tension sera positive et une contrainte 6oxyde en compression sera négative.

Ce premier mode de réalisation permet d'ajuster la contrainte de compensation présente dans la couche mince. Il est, de plus, aisé de se fournir en substrats de type sSOI compatibles avec les contraintes de compensation désirées. Le reste du procédé (4) 13 comprenant des étapes de gravure maîtrisées en microélectronique, un tel mode de réalisation est aisé à mettre en oeuvre industriellement. Avantageusement, le procédé peut de plus être tel que le cadre soit formé par la couche épaisse du substrat de type sSOI, la formation de l'ouverture du cadre se faisant par gravure sélective depuis une face libre de la couche épaisse, avec arrêt sur la couche de matériau isolant et la libération de la membrane se faisant par gravure sélective de la couche de matériau isolant, avec arrêt sur la couche mince. L'emploi d'une technique de gravure sélective, et la présence d'une couche intermédiaire de gravure sous la forme de la couche en matériau isolant, permet de ne pas graver par inadvertance la couche mince aussi bien lors de la gravure de la couche épaisse que de la couche isolante. Ainsi, l'épaisseur et la rugosité de la membrane sont garanties. Un second mode de réalisation du procédé selon l'invention est basé sur une approche différente de la construction du cadre et de l'introduction de la contrainte de compensation en tension dans la membrane. Dans ce second mode de réalisation, le cadre est formé par un substrat additionnel muni de l'ouverture, le cadre étant assemblé au substrat de type SOI du côté de la couche mince, la couche mince couvrant l'ouverture. Lors de l'assemblage, la couche mince est portée à une température de film Tf et le cadre à une température du cadre Tc, inférieure à la température de film. La température de film et la température du cadre sont 14 différentes, ce qui impose une différence de dilatation thermique entre la couche mince et le cadre. Cette différence de dilatation thermique est telle qu'elle induit dans la couche mince, après l'assemblage, lors d'une égalisation des températures de la couche mince et du cadre, par exemple à la température du cadre Tc, une contrainte thermique en tension supérieure ou égale à la contrainte de compensation. On porte donc la couche mince à une température de film Tf supérieure à la température du cadre Tc pour qu'une fois collée au cadre, la couche mince atteigne la température du cadre Tc sans pouvoir se rétracter, d'où l'état de tension. La température de la couche mince peut être obtenue en portant le substrat de type SOI à la température de film Tf. Dans ce second mode de réalisation, la différence de température lors de l'assemblage est telle qu'elle induit, dans la couche mince, une contrainte en tension supérieure ou égale à la contrainte de compensation nécessaire pour contrebalancer les effets du poids de la membrane. Ce procédé permet d'obtenir des membranes contraintes en tension, ayant donc une flèche minimisée, avec un substrat SOI sans pour autant dépendre de substrats de type sSOI. Le procédé selon ce second mode de réalisation de l'invention permet de plus de mieux contrôler les contraintes présentes dans la membrane et permet d'éviter les étapes de gravure profonde. Celles- ci peuvent être délicates en termes de sélectivité et d'uniformité de gravure. 15 De plus, ce procédé permet d'éviter la présence de la couche de matériau isolant entre la membrane et le cadre, ce qui n'est pas possible dans le premier mode de réalisation. Il n'y a donc pas besoin de contrebalancer les contraintes d'effets d'interface et de bords qui apparaissent à cause de cette couche en matériau isolant. La contrainte de compensation à appliquer à la membrane peut donc être moins importante que dans le premier mode de réalisation pour des membranes de mêmes dimensions surfaciques et de même épaisseur. Selon une première variante avantageuse, la couche mince a un coefficient de dilatation thermique de couche mince (aem) et le cadre a un coefficient de dilatation thermique du cadre (OEcadre) sensiblement égal à celui de la couche mince. Par exemple la couche mince peut être formée dans le même matériau que le cadre. La dilatation thermique de l'ensemble, après assemblage et libération de la membrane, est alors sensiblement identique pour la membrane et le cadre. La contrainte de compensation présente dans la membrane est alors constante en fonction de toute température d'utilisation de l'ensemble cadre/membrane et la planéité de la membrane est assurée pour toutes les températures d'utilisation de la membrane, supérieures inférieures ou égales à la température de l'assemblage. De plus, dans une seconde variante avantageuse, non exclusive de la variante précédente, le substrat de type SOI a un coefficient de dilatation thermique du substrat de type SOI (îsoi) supérieur au coefficient de dilatation thermique du 16

cadre (OEcadre) . Par exemple, le cadre et la couche mince peuvent être formés de silicium et la couche épaisse du substrat de type SOI peut être formée de germanium ou de SiGe. Cette différence de coefficients de dilatation thermique permet de minimiser la différence de températures nécessaire entre les substrats pour garantir, lors de l'assemblage, la contrainte de compensation ao dans la couche mince. Enfin, dans une troisième variante avantageuse, le coefficient de dilatation thermique du substrat de type SOI (î o1) et le coefficient de dilatation thermique du cadre (OEcadre) sont sensiblement égaux au coefficient de dilatation thermique de couche mince (aem). La relation entre la contrainte thermique dans la membrane et les températures de l'assemblage est simplifiée. Dans ce cas, la détermination des températures à utiliser lors de l'assemblage est facilitée. La différence entre la température de film (If) de la couche mince et de la température du cadre (Tc) est telle que, lors de l'assemblage, l'équation (6) suivante soit vérifiée : ao.(1-v Tf -Te E .a a, coefficient de dilatation thermique 25 commun au substrat de type SOI, à la couche mince et au cadre. Dans ce mode de réalisation, l'ouverture dont est muni le substrat additionnel est préférentiellement traversante. (6) 17 Dans le procédé selon l'invention, une contrainte de compensation en tension est introduite dans la membrane. Cette contrainte est obtenue sans manipulation de la membrane libérée, et sans modification de l'état physico-chimique de la membrane. En effet, il n'y a ni introduction d'éléments dopants, ni ajout d'une couche recouvrant la membrane. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 (déjà décrite) illustre dans le cas de membranes obtenues par des procédés de l'art antérieur la variation de leur flèche en fonction de la pression qui s'applique sur elles ; la figure 2A, illustre l'influence du poids d'une membrane sur la flèche de la membrane en fonction de l'épaisseur de la membrane ; la figure 2B, indique la contrainte de compensation o théorique à introduire dans une membrane pour obtenir une flèche inférieure ou égale à 1 nm, en fonction de la surface et l'épaisseur de la membrane ; les figures 3A à 3E illustrent des étapes d'un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention ; 18 les figures 4A à 4E illustrent des étapes d'un second mode de réalisation du procédé selon l'invention. Les différentes variantes décrites doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres. Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Un procédé selon l'invention vise à produire une ou plusieurs membranes aussi planes que possible. Par aussi plane que possible, on entend que la membrane possède, en l'absence de sollicitation extérieure, une flèche inférieure ou égale à k fois de l'épaisseur e de la membrane, k étant un pourcentage compris entre environ 0,05% et 20%, avantageusement entre 1so et 10%. On pourra parler alors de planéité à k%. En particulier, k peut être égal par exemple, à 1% ou 5%. On désignera le produit k.e comme étant la valeur limite de planéité. Elle peut valoir par exemple 1 nm. On cherche à réaliser plus particulièrement une membrane 4 ayant une épaisseur de quelques dizaines ou centaines de nanomètres et une surface supérieure au millimètre carré, par exemple 3x3 mm2 ou 5x5 mm2. Dans 19 la suite de la description, on suppose que la valeur limite de planéité visée k.e est de 1% de l'épaisseur, mais il est bien évident que d'autres valeurs limites de planéité pour la membrane 4 peuvent être choisies en fonction des applications voulues pour la membrane. Il faut alors remplacer dans les équations le produit k.e par la valeur limite choisie et remplacer dans le texte l'expression k fois l'épaisseur de la membrane par l'expression de la valeur limite choisie.

Ces membranes, dans le procédé de l'invention, décrit plus loin, sont obtenues à partir d'une couche mince 40 fournie sur un substrat 10 de type SOI tel qu'illustré sur la figure 3A. Par définition, un substrat de type SOI, comporte une couche en matériau isolant 3 électriquement, comprise entre une couche mince 40 d'épaisseur e, en matériau semi-conducteur, avantageusement en silicium, et une couche épaisse 5, avantageusement en matériau semi-conducteur. La couche épaisse 5 comporte deux faces principales, une des faces, référencée 50', est en contact avec la couche en matériau isolant 3 et l'autre face 50 est libre. La couche en matériau isolant 3 est avantageusement en un oxyde, par exemple, en oxyde de silicium.

Une telle membrane 4 est illustrée par exemple sur la figure 3E. La membrane 4 est une portion de la couche mince 40, solidarisée avec un cadre 2. Le procédé selon l'invention a pour but de former au moins une membrane qui, sans sollicitation extérieure, est soumise à une contrainte de compensation 6o en tension apte à contrer une déformation due à son propre poids.

Dans la figure 3E, la membrane 4 est solidarisée au cadre 2 par l'intermédiaire d'une couche discontinue en matériau isolant 3. En effet, la membrane d'épaisseur (e) que le procédé de l'invention vise à réaliser, si elle n'était pas soumise à la contrainte de compensation, à cause de ses dimensions, serait telle que son poids induirait sensiblement dans une zone centrale, en combinaison avec des contraintes d'interface et de bords, une flèche supérieure à la valeur limite de planéité voulue, par exemple supérieure à 1% de son épaisseur (e). Des contraintes d'interface sont présentes, en particulier dans le cas où l'ensemble cadre/membrane est formé de plusieurs matériaux différents ou que d'autres couches sont présentes à cette interface. Elles sont considérées en première approximation comme des contraintes résiduelles en compression dans la couche mince.

La membrane 4 obtenue par le procédé de l'invention possède deux dimensions surfaciques a, b dans le plan de la couche mince 40, dont l'une, appelée largeur a, est inférieure ou égale à l'autre b. Cette largeur a vérifie l'équation (2) suivante. La membrane possède une flèche inférieure ou égale à une limite de planéité désirée soit k fois son épaisseur e. E e3(k) 1 +C(k)2 ùv pg 1213(1+v) (2) 21

E, v, p étant respectivement le module d'Young, le coefficient de Poisson et la densité du matériau semi-conducteur formant la couche mince 40, g étant l'accélération due à la gravité, R, C et C* étant des coefficient relatifs à des facteurs de forme et décrits plus haut. En particulier, pour le silicium, E = 130 GPa et v = 0,28. Cette équation (2) donne la largeur a d'une membrane d'épaisseur e donnée pour laquelle son propre poids induirait, hors contrainte interne, et sans sollicitation extérieure, une flèche supérieure ou égale à k fois son épaisseur e. Des exemples de membranes concernées par le procédé selon l'invention peuvent être des membranes carrées de surface 5 mm x 5 mm, ayant une épaisseur e inférieure ou égale à 5 pm, ou des membranes carrées de surface 3 mm x 3 mm d'épaisseur inférieure ou égale à 2 pm. Les courbes Al, A2 de la figure 2A illustrent la variation de la flèche h de membranes de l'art antérieur, due à leur propre poids, en fonction de leur épaisseur e. La courbe Al, correspond à une membrane carrée de 5 mm de côté et la courbe A2 à une membrane carrée de 3 mm de côté. On y voit que les membranes décrites ci-dessus ont, sans sollicitation extérieure, des flèches supérieures à 1% de leur épaisseur. De telles membranes auraient une flèche supérieure à 1 nm si leur épaisseur était inférieure à 10 pm pour la membrane de 3 mm de côté, respectivement inférieure à 14 pm, pour la membrane de 5 mm de côté.

En autre variante, le procédé selon l'invention peut concerner des membranes ayant une flèche supérieure à 1so de leur épaisseur, soit respectivement, pour des membranes carrées de côté 3 mm ou 5 mm, des membranes d'épaisseur inférieure à 1 }gym ou 10 }gym.

Ainsi, pour éviter la formation d'une flèche supérieure à k fois l'épaisseur de la membrane, le procédé selon l'invention induit une contrainte de compensation o , en tension, dans la membrane 4, pour contrebalancer son propre poids. La contrainte de compensation 6o doit alors vérifier l'équation (3) suivante : ùE e~ 1 (k)z pga (3) ~°(1ùv) C *a2 l2a(l+v)+C +C*ke 3) La figure 2B donne la contrainte de compensation a o, en MPa, qu'il est necessaire d'introduire dans la membrane obtenue par le procédé de l'invention pour obtenir une flèche h inférieure ou égale à 1 nm en fonction de l'épaisseur e de la

membrane exprimée en micromètres. Ces résultats sont obtenus pour deux membranes carrées de 3 mm de côté (courbe A2') ou 5 mm de côté (courbe A1'). Ainsi il y est observable, dans ces deux cas, que pour avoir une flèche inférieure ou égale à 1 nm, il est nécessaire

d'appliquer des contraintes de compensation proches de 14 MPa ou 40 MPa, en tension, pour toute membrane dont l'épaisseur est respectivement inférieure à 1 }gym ou 4 }gym. Cette figure 2B illustre aussi qu'à partir d'une valeur critique, ici respectivement 1 }gym et 4 }gym, la contrainte de compensation 6o à introduire dans la 23 membrane pour contrer son propre poids et obtenir une flèche inférieure à 1 nm est assimilable sensiblement à une constante. Par exemple, une contrainte de compensation supérieure ou égale à 15 MPa garantit la planéité à 1 nm pour des membranes carrées de surface inférieure ou égales à 3 mm x 3 mm, quelle que soit l'épaisseur de la membrane. Ceci est vrai tant qu'elle est inférieure à la tension critique au-delà de laquelle la membrane pourrait se déchirer. En effet, l'homme du métier est conscient des limitations physiques des films minces et cherchera à ne pas imposer dans les membranes, au moyen du procédé selon l'invention, de contraintes de compensation supérieures aux limites élastiques des membranes.

Sans contrainte de compensation, c'est-à-dire avec o = 0, le poids de la membrane induit une flèche qui atteint et dépasse 1 micromètre lorsque l'épaisseur de la membrane est inférieure ou égale à quelques centaines de nanomètres. Une membrane de silicium, de quelques millimètres carrés, d'épaisseur inférieure à 500 nanomètres, présente, en l'absence de sollicitation extérieure, une flèche supérieure à 100 nanomètres, ce qui est inacceptable pour une application optique.

Dans le cas d'une membrane en silicium carrée de 3 mm de côté, en l'absence de contraintes internes dans la membrane, la flèche de la membrane induite par son son poids est de 0,68 pm. Pour ramener cette flèche à 1 nm, il faut lui appliquer une contrainte en tension de 15,1 MPa. De même pour une membrane carrée de 5 mm de côté, en l'absence de 24 contrainte internes dans la membrane, la flèche de la membrane induite par son poids est de 1,40 pm. Pour ramener cette flèche à 1 nm, il faut lui appliquer une contrainte en tension de 41,9 MPa.

Un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention va être décrit en se référant aux figures 3A à 3E. On part d'un substrat 10 de type sSOI contraint en tension. Il est représenté sur la figure 3A. Un substrat de type sSOI est un substrat de type SOI, dans lequel la couche mince 40 est initialement soumise à une contrainte. Ici, cette contrainte est une contrainte en tension 6ini Dans le procédé de l'invention, selon le premier mode de réalisation, la flèche imposée à la membrane due son propre poids va être contrée par la contrainte de compensation formée par la contrainte initialement présente dans la couche mince 40 du substrat sSOI 10 qui donnera la membrane 4.

Cependant, à cause du procédé de formation du substrat sSOI 10, la couche en matériau isolant 3 est généralement soumise à une contrainte en compression 6oxyde. Cette contrainte en compression 6oxyde, peut être due à des effets d'interface et de bord. Elle peut avoir une valeur importante, supérieure à 10 MPa, et même encore plus, voire supérieure à 1 GPa. Une valeur classique est par exemple de 300 MPa. Ainsi, dans le procédé selon l'invention selon le premier mode de réalisation, pour que la contrainte de compensation dans la membrane vérifie l'équation (3), on compense la contrainte en 25 compression 6oxyde existant dans la couche en matériau isolant 3 et se retrouvant à l'interface avec la couche mince 40. Il faut donc que la contrainte initiale 6ini, en tension, présente dans la couche mince 40, soit supérieure à la somme de la contrainte de compensation 60, nécessaire pour contrebalancer le poids de la membrane, et de la contrainte nécessaire pour contrebalancer la contrainte en compression yde a l'interface. Ainsi dans le substrat 10, de type sSOI, choisi dans le procédé de l'invention selon le premier mode de réalisation, la contrainte en tension 6ini de sa couche mince 40 est telle que l'équation (4) est vérifiée . eoxyde 6 ini i +a oxyde e + 0

dans laquelle eoxyde représente l'épaisseur de la couche en matériau isolant 3 et 6oxyde exprimée en tension. Etant une contrainte en compression, 6oxyde est donc négative.

Le substrat sSOI 10 peut donc être choisi avec, dans la couche mince 40, une contrainte en tension supérieure à 10 MPa, et même supérieure à 1 GPa. Des valeurs typiques peuvent être, par exemple de 435 MPa ou 450 MPa. En particulier, la contrainte 25 induite dans la couche mince 40 par la contrainte

présente dans la couche en matériau isolant 3 peut être

de l'ordre de 30 MPa ou 40 MPa.

Une fois le substrat sSOI 10 déterminé, une couche de matériau de masque 6 est déposée sur la face 20 (4) 26 libre 50 de sa couche épaisse 5 (figure 3B). Une étape de photolithographie, comprenant une étape de dépôt de résine, une étape d'insolation, une étape de retrait de la résine en fonction de l'insolation et une étape de gravure du masque dans la ou les zone(s) sans résine, a ensuite lieu pour former au moins une zone de gravure 8 (figure 3C). Ensuite, après une étape de retrait de la résine, il est procédé, dans la zone de gravure 8, à une gravure du matériau de la couche épaisse 5, par la face libre 50, avec un arrêt sur la couche en matériau isolant 3 (figure 3D). Il est ainsi formé un cadre 2, composé de la couche épaisse 5, ce cadre 2 possède au moins une ouverture 7 qui dans cet exemple est traversante. Dans le cas où le matériau de la couche épaisse 5 est du silicium, la gravure peut être chimique et avoir lieu par une exposition à une solution aqueuse de KOH (hydroxyde de potassium) ou de TMAH (hydroxyde de tétraméthylammonium). Au niveau de l'ouverture 7, la zone de la couche en matériau isolant 3 mise à nu, a les dimensions a et b prévues pour la membrane, telles que l'équation (2) soit vérifiée. Dans le cas où la couche épaisse 5 est en un matériau semi-conducteur monocristallin, la gravure peut être anisotrope et se faire préférentiellement selon des plans non perpendiculaires aux faces principales du substrat sSOI 10. On se réfère à la figure 3D' L'ouverture référencée 7' a alors des parois qui s'évasent depuis la couche en matériau isolant 3 vers la face libre 50 de la couche épaisse 5. La dimension a au niveau de la couche en matériau 27 isolant 3 devient a' au niveau de la face libre 50 de la couche épaisse 5, avec a' supérieur à a. Il en est de même pour l'autre dimension, b, b', mais ce n'est pas représenté. Les dimensions de la zone de gravure 8 et donc de l'ouverture 7 sont donc choisies pour obtenir les dimensions voulues au niveau de la couche en matériau isolant 3 mise à nue. Avantageusement le masque de gravure 6 restant peut ensuite être retiré (figure 3E).

Puis, par une autre étape de gravure, le matériau isolant mis à nu au niveau de l'ouverture 7 est ôté de manière à mettre à nu le matériau de la couche mince 40 et ainsi libérer la membrane 4 au niveau de l'ouverture 7 (figure 3E). Dans le procédé selon le premier mode de réalisation de l'invention, cette étape se fait en gravant, de préférence de façon anisotrope, tout ou partie des portions de la couche en matériau isolant 3 non couvertes par la couche épaisse 5, avec un arrêt sur la couche mince 40. La gravure peut être une gravure humide avec de l'acide fluorhydrique par exemple. Les deux étapes de gravure précitées sont avantageusement des gravures sélectives. Un autre mode de réalisation du procédé de l'invention est illustré en figures 4A à 4E. Dans le procédé suivant le second mode de réalisation de l'invention, on utilise un substrat 10 de type SOI pour fournir la couche mince 40 qui formera la membrane, mais le cadre 2 est formé dans un substrat additionnel 20. Ce substrat additionnel 20 est préférentiellement en matériau semi-conducteur et 28 avantageusement composé du même matériau que la couche mince 40 présente sur le substrat 10 de type SOI. Au moins une ouverture 7 va être formée dans le substrat additionnel 20. Elle est de préférence traversante. Pour cela il est possible de définir au moins une zone de gravure 8 dans un matériau de masque 6. Cela se fait par un dépôt d'une couche de masque 6 sur une des faces principales dudit substrat additionnel 20 (figure 4A). Le matériau de masque 6 peut être en tout matériau connu de l'homme du métier pour former des masques de gravure. Ensuite a lieu une étape de photolithographie. Celle-ci peut comporter, entre autres, une étape de dépôt de résine, une étape d'insolation de la résine, une étape de retrait partiel de la résine en fonction de l'insolation, une étape de gravure du masque pour former la zone de gravure 8 et une étape de retrait de la résine restante (figure 4B).

Alternativement, l'étape de dépôt du matériau de masque 6 peut ne pas être effectuée, auquel cas, l'ouverture sera gravée dans le substrat additionnel 20 directement, à travers la zone ouverte dans la résine, en utilisant un procédé de gravure sélectif par rapport à la résine. Ainsi, l'étape de retrait de la résine n'a lieu qu'après gravure de l'ouverture. Le substrat additionnel 20 est donc percé d'au moins une ouverture 7 à travers la zone de gravure dans le matériau de masque ou la résine (figure 4C). Dans le cas illustré sur les figures 4C et suivantes, 29 il est représenté plusieurs ouvertures 7 mais il est possible de n'en former qu'une seule. Ce perçage peut se faire par gravure chimique ou par usinage ou par découpe laser. Dans le cas où le substrat additionnel 20 est en silicium, il peut être gravé au moyen d'une solution aqueuse de TMAH ou de KOH. Le substrat additionnel 20 percé forme un cadre 2 sur lequel pourra être tendue la couche mince 40, comme il le sera décrit plus loin. Dans l'exemple décrit par les figures 4A à 4E, on suppose que le perçage a lieu par gravure chimique. Dans le second mode de réalisation du procédé selon l'invention, l'ouverture 7 traverse avantageusement entièrement le substrat additionnel 20 (figure 4C). Au niveau d'au moins une des faces principales du substrat additionnel 20, que le perçage soit isotrope ou non, l'ouverture 7 possède deux dimensions, dont l'une appelée a, plus petite ou égale à l'autre vérifie l'équation (2). Ladite face du substrat additionnel 20, référencée 20.1, vérifiant cette condition sera ensuite dénommée face active 20.1 du cadre 2. Le matériau ayant servi de masque, soit le matériau de masque 6, soit la couche de résine, peut ensuite être retiré (figure 4D). Dans le cas où le matériau de masque est présent sur la face active 20.1 du cadre 2, cette couche de matériau est nécessairement retirée après la gravure de l'ouverture 7. La figure 4C illustre cette configuration. 30 L'étape de perçage peut être suivie par une étape de préparation de la face active 20.1 du cadre 2 pour l'assemblage qui suit. Après formation du cadre 2, la face active 20.1 du cadre 2 est assemblée au substrat 10 de type SOI en la mettant en contact avec la couche mince 40 du substrat 10 de type SOI (figure 4D). Cela peut en particulier se faire au moyen d'un collage moléculaire, préférentiellement hydrophobe. La couche mince 40 couvre l'ouverture 7. On forme alors une cavité au niveau de chaque ouverture 7. Sur la figure 4D, la couche mince 40 du substrat 10 de type SOI vient obturer un côté de l'ouverture 7. Lors de l'assemblage entre le substrat additionnel 20 et le substrat 10 de type SOI, la couche mince 40, présente sur le substrat 10 de type SOI, est portée à une température de film Tf et le cadre 2, formé dans le substrat additionnel 20, est porté à une température du cadre Tc, inférieure ou égale à la température de film Tf. Les différentes couches à assembler étant portées à des températures différentes, des dilatations thermiques différentes se produisent. Lors d'un retour à un équilibre thermique de l'ensemble obtenu par l'assemblage, en particulier après l'étape de libération de la membrane 4, décrite ci-après, les dilatations se résorbent, la couche mince 40 devant subir une contraction plus importante que le cadre 2. Cependant, étant fixée au cadre 2, la couche mince 40 ne peut se contracter suffisamment et subit une 31

contrainte thermique 6Tf_To liée à la différence de contraction des couches mises en jeu. Dans le procédé suivant l'invention, les températures de cadre TC et de film Tf de l'étape d'assemblage sont choisies pour que la contrainte thermique 6Tf_To induite dans la couche mince 40 soit une contrainte en tension supérieure ou égale à la contrainte de compensation o , vérifiant ainsi l'équation (3) et contrebalançant l'effet du poids de la membrane. Le substrat additionnel 20 a un coefficient de dilatation thermique du cadre OEcadre, et le substrat 10 de type SOI a un coefficient de dilatation thermique du substrat de type SOI asol. La couche mince 40 a un coefficient de dilatation thermique îcm. La contrainte effective présente dans la membrane 4 lors d'une utilisation de la membrane dépend de la température du cadre Tc, aussi égale à la température d'assemblage, d'une température d'utilisation Tu de la membrane et des coefficients de dilatation du cadre 2 et de la couche mince 40. Plusieurs cas sont à considérer ensuite selon que le coefficient de dilatation thermique du cadre OEcadre est supérieur ou inférieur au coefficient de dilatation thermique de couche mince îcm et que la température d'utilisation Tu est supérieure ou inférieure à la température du cadre Tc. L'homme du métier pourra choisir les conditions qui conviennent le mieux à son application : 32 selon une première possibilité, la température d'utilisation Tu est supérieure à la température d'assemblage Tc: il est préférable de choisir la couche mince 40 et le cadre 2 tels que le coefficient de dilatation thermique du cadre oc,cadre soit supérieur ou égal au coefficient de dilatation thermique de la couche mince aem. Lors du passage de la température d'assemblage Tc à la température d'utilisation Tu, la contrainte en tension dans la membrane est alors supérieure ou égale à la contrainte thermique 6Tf_To formée lors de l'assemblage. - selon une deuxième possibilité, la température d'utilisation Tu est inférieure à la température d'assemblage Tc il est préférable de choisir la couche mince 40 et le cadre 2 tels que le coefficient de dilatation thermique du cadre oc,eadre soit inférieur ou égal au coefficient de dilatation thermique de couche mince aem. Lors du passage de la température d'assemblage Tc à la température d'utilisation Tu, la contrainte en tension dans la membrane est alors supérieure ou égale à la contrainte thermique 6Tf_To formée lors de l'assemblage. Dans ces deux cas, la contrainte de compensation formée par le procédé de l'invention dans la membrane varie en fonction de la température d'utilisation Tu. Dans une première variante avantageuse, le cadre, et le ou les matériaux le composant, est choisi de façon à avoir un coefficient de dilatation thermique sensiblement égal à celui de la couche mince. 33 Puisque les coefficients de dilatation thermique sont sensiblement égaux pour la membrane 4 et le cadre 2, la planéité de la membrane 4 est assurée pour toutes les températures d'utilisation de la membrane, supérieures, inférieures ou égales à la température de l'assemblage Tc. Préférentiellement, le cadre 2 est composé du même matériau que la couche mince 40, par exemple du silicium. Il est ainsi obtenu des membranes tendues sur un cadre, à une température d'assemblage Tc, l'ensemble cadre/membrane étant dans un unique matériau. La contrainte thermique peut s'exprimer en fonction des coefficients de dilatation thermique î I, acm et oc,caare, des températures au moment de l'assemblage et d'une température commune à laquelle le cadre, le substrat de type SOI et la couche mince se retrouvent après assemblage. Lors de l'assemblage, la température commune d'un ensemble cadre/membrane est imposée par le cadre 2 car son volume est nettement supérieur à celui de la membrane 4. Cette différence de volume a en effet des ordres de grandeurs proches d'un facteur 1000, alors que les différences des coefficients de dilatation thermiques diffèrent au plus d'un facteur 10 ou 100 : par exemple 0,5.10-6 K-I pour le quartz et 2,6.10 6 K-I pour le silicium. La température de l'assemblage peut donc être assimilée au premier ordre à la température du cadre Tc. De même, la dilatation de la couche mince 30 40 à la température Tf, et donc la différence de dilatation entre le cadre 2 et la couche mince 40 lors 34 de l'assemblage, dépend essentiellement de la dilatation du substrat 10 de type SOI à cette température. La dilatation de la couche mince lors de l'assemblage dépend donc du coefficient de dilatation thermique 06soi du substrat de type SOI. En particulier cette dilatation dépend d'un coefficient de dilatation thermique associé à la couche épaisse 5, le coefficient de dilatation thermique d'un substrat de type SOI étant, au premier ordre, assimilable à celui de ladite couche épaisse. Ainsi, au premier ordre, la contrainte thermique 6Tf_To est fonction de asoi, acaare et des températures du cadre Tc et de la couche mince Tf. En suivant cette simplification, dans une seconde variante avantageuse, le cadre 2, et le substrat 10 de type SOI, sont choisis tels que le coefficient de dilatation thermique du cadre oc,eaare soit inférieur au coefficient de dilatation thermique du substrat 10 de type SOI îso1. Cette différence de coefficients de dilatation thermique permet de minimiser la différence de température AT nécessaire, lors de l'assemblage entre les deux substrats 10, 20, pour garantir la contrainte de compensation 6o dans la couche mince 40. En effet, dans ce cas, une différence de température AT donnée conduit à une plus grande différence de dilatation entre les substrats 10, 20 et donc à une contrainte thermique 6Tf_Te plus importante que dans le cas où les coefficients de dilatation thermique Eeaare et OEsol sont égaux. 35 Par exemple, il est possible d'utiliser un cadre 2 en silicium et un substrat 10 de type SOI dont la couche la plus épaisse 5 est en germanium ou en SiGe, ou un cadre 2 en SiO2 et un substrat 10 de type SOI à base de silicium. Il est possible de combiner cette deuxième variante avantageuse avec la première variante avantageuse, dans laquelle le coefficient de dilatation thermique du cadre escadre est sensiblement égal au coefficient de dilatation thermique de couche mince îcm. Cela peut se faire en choisissant une couche mince 40 ayant un coefficient de dilatation thermique sensiblement égal à celui du cadre 2. Cette couche mince est présente initialement sur un substrat 10 de type SOI dont la couche épaisse 5 a un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui du cadre 2. Dans un exemple de cet assemblage avantageux, il est possible de choisir un cadre 2 en silicium sur lequel est assemblée une couche mince 40 en silicium. C'est la couche superficielle d'un substrat 10 de type SOI dont la couche épaisse 5 est en germanium ou en SiGe, soit un substrat de type Si/SiO2/substrat Ge. Selon une troisième variante avantageuse, compatible avec la première variante et non compatible avec la deuxième variante, le substrat 10 de type SOI et le substrat additionnel 20, ou les matériaux dont ils sont formés, sont choisis tels que les coefficients de dilatation thermique du substrat 10 de type SOI06 I, du cadre 2 OEcadre et de la couche mince acm sont sensiblement égaux. Cette variante a pour avantage de simplifier la définition de la contrainte thermique formée dans la couche mince 40 telle qu'utilisée dans cette description. Elle peut alors être donnée par l'équation (5) suivante : )E 6TfùTc ù(Tf ùTc)(1ùv) avec î, coefficient de dilatation thermique commun à la couche mince 40 et au cadre 2. En particulier, pour le silicium, le coefficient de dilatation thermique î vaut 4.10-6 K-1, E, le module d'Young, vaut 130 GPa et v, le coefficient de Poisson, vaut 0,28. Pour le silicium, cela conduit à une contrainte thermique proche de 0,7 MPa/K. (Tf-Tc) est positif car Tf est une température supérieure à Tc.

Dans cette troisième variante avantageuse, la détermination des températures à utiliser lors de l'assemblage est facilitée. Elles sont choisies de façon à vérifier l'équation (6) . 6o.(1-v ) Tf -T -- (6) E .a De plus, comme dans le cas de la première variante avantageuse, l'ensemble membrane/cadre a un coefficient de dilatation thermique sensiblement uniforme et la contrainte thermique formée dans la membrane 4 est constante pour toute température d'utilisation et peut être ajustée à la contrainte de compensation nécessaire.

Après l'étape d'assemblage par collage moléculaire, on procède à une étape de recuit pour consolider le collage.

Ensuite, dans le procédé suivant le second mode de réalisation de l'invention, la couche en (5) 37 matériau isolant 3 et la couche épaisse 5 sont éliminées (figure 4E). Cela permet de libérer la ou les membranes 4, au niveau de chaque ouverture 7 du cadre 2. Cela peut se faire par polissage mécano-chimique ou par abrasion ou par gravure chimique. Avantageusement, au moins la partie finale de l'élimination de la couche épaisse 5 se fait par gravure par voie chimique avec un arrêt sur la couche en matériau isolant 3. Avantageusement, l'élimination de la couche en matériau isolant 3 se fait par une gravure chimique avec arrêt sur la couche mince 40. Ce second mode de réalisation permet, en supprimant la présence de la couche en matériau isolant 3 dans le dispositif final, une amélioration du contrôle des contraintes présentes dans la membrane 4. Bien que deux modes de réalisation de la présente invention aient été représentés et décrits de façon détaillée, on comprendra que différents changements et modifications puissent être apportés sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'une membrane (4) comportant au moins les étapes suivantes : i. fourniture d'une couche mince (40) en matériau semi-conducteur, ayant une épaisseur (e) donnée, provenant d'un substrat (10) de type SOI ; le substrat (10) de type SOI possédant aussi, empilées avec la couche mince (40), une couche épaisse (5) en matériau-semi-conducteur et une couche (3) en matériau isolant électriquement, située entre la couche mince (40) et la couche épaisse (5), ladite couche mince (40) étant solidaire d'un cadre (2) muni d'au moins une ouverture (7) et possédant, au niveau de l'ouverture (7) deux dimensions surfaciques (a,b) dont une première (a) est inférieure ou égale à une seconde (b), la première dimension (a) étant reliée à l'épaisseur (e) par l'équation : 4 E e3(k) 1 (k)ùv pg [l2(l+V)2]} +C E, v, p étant respectivement le module d'Young, le coefficient de Poisson et la densité du matériau formant la couche mince, g étant 25 l'accélération de la pesanteur, 13, C, C* étant des coefficients relatifs à des facteurs de forme de la membrane, k.e étant une valeur limite de planéité visée, k étant compris entre environ 0,05% et 20%, ii. libération d'une portion de la couche 30 mince (40) située au niveau de l'ouverture (7) par 539 retrait de la couche en matériau isolant (3) et de la couche épaisse (5) au niveau de l'ouverture (7), la portion de couche mince ainsi libérée formant la membrane (4), le procédé étant caractérisé en ce que la membrane (4) présente, une fois libérée, une contrainte de compensation (6o) en tension, vérifiant l'équation : ùE e2 1 (1ùv) C*a2 12(3(1+v)+C(k 1+ pga2 C*ke 10
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la couche mince (40) fournie à l'étape i. provient d'un substrat (10) de type sSOI contraint en tension, la couche mince (40) présentant une contrainte 15 en tension initiale (6ini) vérifiant l'équation suivante : eoxyde 6 ini i +G oxyde +o e avec xyder une contrainte en compression, exprimée en tension, présente dans la couche de 20 matériau isolant (3), eoxyde épaisseur de la couche de matériau isolant (3).
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le cadre (2) est formé par la couche épaisse (5) 25 du substrat (10) de type sSOI, la formation de l'ouverture (7) du cadre (2) se faisant par gravure sélective depuis une face libre (50) de la couche épaisse (5), avec arrêt sur la couche de matériau isolant (5), et la libération de la membrane (4) se 40 faisant par une gravure sélective de la couche de matériau isolant (3), avec arrêt sur la couche mince (40).
4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le cadre (2) est formé par un substrat additionnel (20) muni de l'ouverture (7), le cadre étant assemblé au substrat de type SOI du côté de la couche mince (40), la couche mince (40) couvrant l'ouverture (7), lors de l'assemblage, la couche mince (40) étant portée à une température de film (Tf) et le cadre (2) à une température du cadre (Tc) inférieure à la température de film (Tf), la température de film (Tf) et la température du cadre (Tc) formant une différence de dilatation thermique entre la couche mince (40) et le cadre (2), cette différence de dilatation thermique induisant dans la couche mince (40), après l'assemblage, lors d'une égalisation des températures de la couche mince (40) et du cadre (2), une contrainte thermique en tension (6Tf-Tc) supérieure ou égale à la contrainte de compensation (o) en tension.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la couche mince (40) a un coefficient de dilatation thermique de couche mince (acm) et le cadre (2) a un coefficient de dilatation thermique du cadre (cc,caare) sensiblement égal à celui de la couche mince.30 41
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la couche mince (40) est formée dans le même matériau que le cadre (2).
7. Procédé selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel le substrat (10) de type SOI a un coefficient de dilatation thermique du substrat de type SOI (îol) et le cadre (2) a un coefficient de dilatation thermique du cadre (OC,caare) inférieur au coefficient de dilatation thermique du substrat (10) de type SOI (asoi)
8. Procédé selon l'une des revendications 4 à 7, dans lequel le cadre (2) et la couche mince (40) sont formés de silicium et la couche épaisse (5) du substrat de type SOI (10) est formée de germanium ou de SiGe.
9. Procédé selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel la couche mince (40) a un coefficient de dilatation thermique de couche mince ), le cadre (2) a un coefficient de dilatation thermique du cadre (OC,eaare) et le substrat (10) de type SOI a un coefficient de dilatation thermique du substrat de type SOI (OC,so1) sensiblement égal aux coefficients de dilatation thermique du cadre (2) et de la couche mince (40), la différence entre la température de film (If) et la température du cadre (Tc) étant telle que, lors de l'assemblage, l'équation suivante est vérifiée : 5T -T >60.(1-v ) E .a a, coefficient de dilatation thermique commun au substrat (10) de type SOI, à la couche mince (40) et au cadre (2).
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel la couche mince (40) a une épaisseur comprise entre quelques dizaines de nanomètres et quelques centaines de nanomètres.