FR2900400A1 - Procede collectif de fabrication de membranes et de cavites de faible volume et de haute precision - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de réalisation collective de cavités et/ou de membranes (24), ayant une épaisseur d donnée, dans une plaque, dite de semi-conducteur sur isolant, comportant au moins une couche superficielle de semi-conducteur d'épaisseur d sur une couche d'isolant, cette dernière reposant elle-même sur un substrat, ce procédé comportant :- la gravure de la couche superficielle de semi-conducteur d'épaisseur d, la couche d'isolant formant une couche d'arrêt, pour former lesdites cavités et/ou membranes dans la couche superficielle.

Description

PROCEDE COLLECTIF DE FABRICATION DE MEMBRANES ET DE CAVITES DE FAIBLE

VOLUME ET DE HAUTE PRECISION DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR L'invention concerne le domaine de la réalisation collective de cavités ou de membranes, avec un contrôle dimensionnel de haute précision. L'invention trouve notamment une application dans la réalisation de composants, en matériau semi-conducteur, par exemple en Silicium, demandant un contrôle précis des volumes, utile pour des applications micro-fluidiques et micro- pneumatiques. En micro-fluidique, l'invention permet la réalisation de micropompes, ainsi que de membranes en vue de l'admission de microvolumes de liquide, par exemple de l'ordre du nanolitre ou du picolitre. Une autre application de l'invention est la réalisation de dispositifs de distribution contrôlée de faibles quantités de produits liquides ou gazeux de façon reproductible et avec grande précision, notamment le dosage de produits dans des quantités du microlitre au nano-litre ou moins. De tels composants fluidiques sont connus des documents DE 19719861 et DE 19719862.

Aujourd'hui, la réalisation de cavités et de membranes dans les dispositifs en silicium se fait à partir de plaques de silicium par gravure sèche ou humide. La valeur des épaisseurs de membrane et de cavité est directement dépendante de la tranche de silicium de départ (son épaisseur et la tolérance sur cette épaisseur) et du procédé de gravure employé (vitesse de gravure, uniformité du procédé).

Pour atteindre une grande précision, de l'ordre du micron, sur des épaisseurs gravées de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de microns, un tel procédé oblige à faire des mesures tout au long de la gamme de fabrication sur une tranche (uniformité du procédé) et de tranche à tranche (uniformité des épaisseurs de tranche et du procédé). Cela entraîne un coût de fabrication important du fait de la nécessité d'effectuer des contrôles de précision à multiples reprise et avec des instruments de haute précision.

Du fait des tolérances des épaisseurs de plaque et du procédé, cela revient donc, pour atteindre de grandes précisions, à traiter les plaques unitairement, avec des contrôles fréquents, et avec un risque de perte en rendement de fabrication si le procédé n'est pas assez uniforme. Il se pose donc un problème qui est celui de devoir traiter les plaques de manière unitaire. En effet le procédé connu ne permet pas de fabriquer de façon collective et par lot, des dispositifs demandant des tolérances en épaisseur très serrées (de l'ordre du pin). Ceci provient de l'inhomogénéité du procédé de gravure et de l'inhomogénéité d'épaisseur des plaques de semi-conducteur (sur la plaque et de plaque à plaque).

Un premier problème que se propose de résoudre la présente invention est donc de trouver un procédé permettant de traiter les plaques de manière collective. La technique connue impose en outre de faire des contrôles dimensionnels précis et répétés lors du procédé de gravure, sur chacune des plaques. Un tel contrôle permet de déterminer l'épaisseur gravée et ainsi d'établir le temps de gravure restant pour atteindre l'épaisseur voulue. Une telle méthode doit en outre être itérative pour éviter les effets de variation de vitesse due au procédé de gravure utilisé. En outre toute variation brutale du procédé peut induire une perte de plaque. En particulier, s'agissant d'une méthode basée sur le temps de gravure, toute variation brusque du procédé (vitesse de gravure, et/ou homogénéité de gravure sur la plaque) peut aboutir au dépassement de l'épaisseur spécifiée. La plaque est alors hors spécification et rejetée. Cette technique souffre donc de défauts majeurs pour une production de masse s'appuyant sur un procédé collectif par lot. En effet, la fabrication de membranes et de cavités, qui demandent une très faible tolérance (contrôle ultra-précis des pressions d'ouvertures de valves ou des volumes de cavités, dans l'application précitée), est très dépendante de l'homogénéité et de la reproductibilité du procédé de gravure utilisé. Par ailleurs, la tolérance sur l'épaisseur des plaques de semi conducteur vient s'ajouter à l'inhomogénéité inhérente aux procédés de fabrication connus.

EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention vise à résoudre ces problèmes. Elle permet de fabriquer, de façon collective ou par lots, des membranes et des cavités d'épaisseur contrôlée et précise. Elle concerne d'abord un procédé de réalisation d'au moins une cavité et/ou membrane, ayant une épaisseur donnée, comportant : - la sélection d'une plaque comportant une couche superficielle de semi-conducteur d'épaisseur d sur une couche d'isolant, cette dernière reposant elle-même sur un substrat ; c'est par exemple une plaque de SOI ou de double SOI, - la gravure de la couche superficielle, la couche d'isolant formant une couche d'arrêt, pour former ladite cavité et/ou membrane dans la couche superficielle. Selon l'invention, on met en oeuvre une ou plusieurs plaques de matériaux spécifiques, de type silicium sur isolant, ou SOI, ou, plus généralement, de type semi-conducteur sur isolant . En particulier, des plaques SOI obtenues par épitaxie peuvent être utilisées, ou plus généralement, des plaques SOI standard, obtenues de façon classique par collage.

Sur une plaque SOI, ou sur une plaque comportant une couche superficielle de semi-conducteur d'épaisseur d sur une couche d'isolant, cette dernière reposant elle-même sur un substrat, la couche de semi-conducteur, par exemple en silicium dans le cas du SOI, est d'une épaisseur contrôlée et précise sur l'ensemble de la plaque. C'est également le cas sur un 4 lot de plaques, ainsi que de lot à lot. La précision de l'épaisseur (aujourd'hui de l'ordre du pm ou inférieure au pm) est supérieure ou égale à la précision requise pour la fabrication de dispositifs de précision. Il en résulte que la cavité ou la membrane réalisée ne nécessite aucun contrôle dimensionnel après gravure. En outre le procédé ne nécessite aucun contrôle de la vitesse de gravure, puisque la gravure est arrêtée lorsqu'elle atteint la couche d'arrêt. Un masque peut être positionné sur ou au dessus de la couche superficielle avant gravure. Plusieurs cavités ou membranes peuvent être réalisées à l'aide de l'invention à partir d'un ensemble de plaques. Ces plaques peuvent être ensuite positionnées, puis assemblées pour former des volumes clos ou semi-clos de grande précision. L'une des dimensions (communément appelée la profondeur) est contrôlée par l'épaisseur de la couche superficielle, 20 tandis que les deux autres dimensions (communément appelées la largeur et la longueur) du volume sont contrôlées, par exemple, par le masque du procédé de gravure. Un assemblage de ces plaques peut être 25 direct ou indirect, avec ou sans apport de matière intermédiaire. L'assemblage peut être de type collage moléculaire. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'une microvalve comportant : 30 - la formation, selon un procédé selon l'invention, d'au moins un siège de ladite microvalve 15 dans une couche de semi-conducteur d'une première plaque de semi-conducteur sur isolant, -la formation, selon un procédé selon l'invention, d'au moins une membrane de ladite microvalve dans une couche de semi-conducteur d'une deuxième plaque de semi-conducteur sur isolant, - l'assemblage de la première et de la deuxième plaques, par leur face avant, de manière à positionner la membrane sur le siège.

Un tel procédé peut comporter en outre : - la formation, dans au moins la première plaque, d'au moins une membrane et d'au moins un siège dans la couche superficielle de matériau semi-conducteur de cette plaque, et d'au moins un siège et d'au moins une membrane dans la couche superficielle de matériau semi-conducteur de la deuxième plaque, - l'assemblage de la première et de la deuxième plaques, par leur face avant, formant au moins deux microvalves.

En outre, peut être prévue une étape de réalisation d'un capot dans une troisième plaque, par exemple elle aussi de type SOI, ainsi qu'une étape d'assemblage de ce capot avec au moins une microvalve. Le capot peut comporter au moins une membrane. Des moyens d'activation de la membrane, par exemple des moyens piézoélectriques, ou électrostatiques, peuvent être réalisés. La membrane peut être délimitée par deux cavités réalisées dans la troisième plaque. Un procédé selon l'invention, de par la 30 précision résultant de l'utilisation d'une plaque ou d'un lot de plaques, de type SOI, est particulièrement bien adapté à la réalisation de membranes et de cavités. Un assemblage des plaques entre elles, par un procédé de report de l'une des plaques sur l'autre, par collage direct ou indirect, avec ou sans apport de matière intermédiaire, par exemple par collage moléculaire, permet de fabriquer des volumes clos ou semi-clos, dont l'accès est contrôlé par des valves ou des clapets (d'épaisseur contrôlée, fabriqués par un procédé selon l'invention), et dont il est possible de faire varier le volume par action sur une membrane (d'épaisseur elle aussi contrôlée, fabriquée selon un procédé selon l'invention). Les éléments mobiles (clapets, membranes souples...) peuvent être fabriqués par le procédé exposé sur n'importe quelle tranche de l'empilement final et permettre ainsi de placer ces éléments mobiles à l'intérieur même du volume clos ou semi-clos formé. Cela permet de fabriquer des dispositifs complexes, dont les éléments mobiles peuvent être contrôlés par des éléments moteurs de type mécanique, ou électrique, ou magnétique, ou pneumatique ou hydro-pneumatique. L'épaisseur des membranes ou des valves et/ou des clapets permet de contrôler la rigidité de ceux-ci, de même que l'épaisseur des cavités contrôle un des paramètres dimensionnels du volume formé. Cette rigidité définit le volume déplacé pour une action mécanique donnée, ou le seuil de pression auquel les clapets se ferment ou s'ouvrent.

Les deux autres dimensions du volume ou des membranes et clapets peuvent être contrôlées par l'étape de masquage, qui atteint une précision largement meilleure que le pm. Les techniques de masquage utilisées sont par exemple celles de la micro électronique, et permettent à ce jour d'atteindre des précisions de l'ordre du 1/10 de pm et même moins. L'invention concerne en outre un dispositif de type microvalve, comportant : - au moins un siège de ladite microvalve dans une couche de semi-conducteur d'une première 10 plaque de SOI, au moins une membrane de ladite microvalve dans une couche de semi-conducteur d'une deuxième plaque de SOI, - la première et la deuxième plaque étant 15 assemblées de manière à ce que ladite membrane repose, en position non activée, sur ledit siège. Un tel dispositif peut comporter au moins deux sièges de microvalve dans ladite couche de semi-conducteur de la première plaque de SOI, et au moins 20 deux membranes de microvalve dans une couche de semi-conducteur de la deuxième plaque de SOI. Selon un autre mode de réalisation, un tel dispositif peut comporter en outre un capot formant, avec les deux plaques assemblées, une chambre de 25 circulation de fluide. Cette chambre peut être délimitée par une membrane réalisée dans le capot. Des moyens d'activation de la membrane peuvent être prévus, ces moyens d'activation pouvant être disposés dans une cavité qui jouxte la membrane.

Toutes les fonctions d'un dispositif selon l'invention peuvent être obtenues par l'assemblage de plusieurs tranches. On peut réaliser ensuite des actions mécaniques (découpe) pour séparer les pièces les unes des autres et ajuster leurs dimensions, en garantissant qu'aucune pollution ne pénétrera dans le volume clos ou semi-clos formé, et sans endommagement des éléments mobiles du dispositif (par exemple le clapet).

La gravure du semi-conducteur (film supérieur ou film inférieur) est de préférence traitée par lot de plusieurs plaques, sans effectuer aucun contrôle dimensionnel intermédiaire. En effet, la couche d'oxyde enterrée agit comme une couche d'arrêt de la gravure et les dimensions de la cavité et/ou de la membrane formée sont uniquement fixées par l'épaisseur du film de semi-conducteur qui est gravé. Les dimensions des structures créées sont ainsi limitées par les spécifications du fabriquant des plaques de semi-conducteur sur isolant, et notamment par l'homogénéité, en épaisseur, de ces plaques. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS - Les figures 1A - 1I représentent un premier mode de réalisation d'un procédé selon 25 l'invention, - les figures 2A - 2I représentent un deuxième mode de réalisation d'un procédé selon l'invention, - les figures 3A - 3F représentent un troisième mode de réalisation d'un procédé selon l'invention, - les figures 4A - 4J représentent un quatrième mode de réalisation d'un procédé selon l'invention, en technologie de double SOI. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Un premier mode de réalisation de l'invention va être discuté en liaison avec les figures 1A - 1E. Partant d'une plaque 2 (figure 1A) telle qu'un SOI ou, plus généralement, d'une couche 4 de matériau semi-conducteur sur une couche 6 d'isolant, l'ensemble reposant sur un substrat 8, l'invention permet la réalisation de cavités et de membranes de dimensions, et notamment d'épaisseur d, très bien contrôlées. Les structures SOI sont par exemple décrites dans le document FR 2681472.

La plaque 2 peut donc être de type SOI ( silicium sur isolant ) ou dérivée (double SOI, ou EPI SOI), ou, plus généralement, de semi-conducteur sur isolant, dont l'épaisseur d du film superficiel 4 de semi-conducteur est adaptée aux besoins du dispositif (épaisseur d et tolérance). Typiquement, la couche superficielle 4, de silicium ou d'un autre matériau semi-conducteur, a par exemple une épaisseur d d'environ 100 nm à 100 pm, tandis que la couche 6 a une épaisseur de l'ordre de quelques centaines de nm ou plus, par exemple comprise entre 100 nm et 2 }gym. L'épaisseur d est très bien contrôlée lors de la fabrication de la plaque, par exemple à 1 }gym près. On dépose (figure 1B), de part et d'autre de la plaque 2, un matériau 10, 10' (par exemple du nitrure de silicium, ou un métal, ou un oxyde, ou une résine...) destiné à former un masque pour des étapes de gravure suivantes. Ce matériau est structuré selon des premiers motifs et le film 4 de semi-conducteur est gravé par un procédé de gravure sec ou humide (figure 1C) pour reporter ou transférer lesdits motifs 12 dans la couche 4, la couche 6 formant la couche d'arrêt de la gravure. Cette technique permet de graver, dans la couche 4, les motifs souhaités ayant l'épaisseur souhaitée et déterminée par l'épaisseur d de la couche 4. Un contrôle de cette épaisseur après fabrication est inutile puisque ce contrôle est assuré par le choix de l'épaisseur d de la couche 4. De même un contrôle de la vitesse de la gravure est inutile puisque la gravure s'arrête lorsqu'elle atteint la couche d'arrêt. L'étape de masquage permet de contrôler deux des dimensions de la cavité ou de la membrane, dans le plan de la plaque 2 (ce plan est perpendiculaire au plan de la figure). Les techniques de masquage ont en effet des précisions de l'ordre du dixième de }gym ou moins. L'épaisseur initiale de la couche 4 assure quant à elle la précision des motifs gravés, suivant une direction zz' perpendiculaire à la plaque 2.

Ces opérations peuvent être répétées ou réalisées simultanément, donc collectivement, sur une plaque, ou même sur plusieurs plaques d'un lot de plaques. Sur la figure 1F, les motifs 20 obtenus ont été réalisés dans la couche 4 et bénéficient donc de la précision de cette couche suivant la direction zz' et de la précision de la technique de masquage. Ils délimitent une ou plusieurs cavités 21, qui sont donc également formées dans la même couche, avec les mêmes avantages en terme de précision.

Les mêmes opérations peuvent être effectuées sur l'autre face de la plaque (en face arrière) si cela est nécessaire (figure 1E). Préalablement (figure 1D) une couche 14 de matériau 10 a été déposée en face avant pour protéger celle-ci lors de la gravure de la face arrière. L'étape de gravure face arrière aboutit à la formation de motifs ou de cavités 12' dans le substrat 8 (ou bulk ), la couche 6 pouvant jouer là encore le rôle de couche d'arrêt de la gravure.

Les couches 14 de nitrure en face avant et d'oxyde 10' en face arrière sont ensuite éliminées (figure IF). Un autre exemple de composant, pouvant être réalisé dans la couche superficielle 4 en matériau semi-conducteur d'une plaque 22 (de structure similaire à la plaque 2), est une membrane 24. Une telle membrane 24 est illustrée sur la figure 1G, partie du haut, et bénéficie elle aussi de la précision résultant du très bon contrôle de l'épaisseur de cette couche 4 et de la précision des masques de gravure. Pour obtenir cette membrane 24 il est procédé, dans la plaque 22, à des opérations similaires à celles décrites ci-dessus, pour la réalisation des cavités 21 et des motifs 20 en face avant de la plaque 2, et pour la réalisation de la cavité 12' en face arrière de cette même plaque 2. La différence réside dans la forme du masque utilisé, mais la précision résultante est identique. Un premier exemple d'un dispositif microfluidique réalisé à l'aide d'un procédé selon l'invention est illustré sur la figure 1I. Un tel composant comporte au moins un siège 20 de valve ou de clapet, et au moins une membrane 24 qui repose sur ce siège. Chacun de ces deux éléments est réalisé dans la couche superficielle semi-conductrice d'un substrat de type SOI, à l'aide du procédé expliqué ci-dessus. L'épaisseur de chacun d'entre eux est donc déterminée par l'épaisseur de cette couche superficielle, dont la précision peut être élevée (de l'ordre de quelques dixièmes de }gym, par exemple 0,5 }gym). Un tel dispositif permet de laisser circuler un microvolume de fluide exerçant une poussée P indiquée sur la figure 1I, cette poussée P permettant de soulever la membrane 24 et de laisser passer ledit microvolume de la zone I à la zone II. Un tel microvolume est par exemple de l'ordre de quelques picolitres ou de quelques nanolitres. Afin de réaliser un tel dispositif, on procède de la manière exposée ci-dessus, à la fois pour réaliser la partie contenant le siège 20 et pour la partie comportant la membrane 24. On obtient ainsi (figure 1F) une première partie du dispositif, définissant le siège 20 d'une valve ou d'un clapet. La formation de ce siège ou de ce clapet n'a pas nécessité d'amincissement de la couche superficielle 4, dont l'épaisseur était choisie de manière à correspondre à l'épaisseur du SOI. La figure 1F représente un seul siège 20, mais, comme déjà indiqué ci-dessus, un procédé selon l'invention permet de réaliser collectivement une pluralité de sièges en surface d'une plaque ou de plusieurs plaques. Les autres plaques de l'assemblage peuvent être préparées selon le même procédé que celui utilisé sur la première plaque, ou selon un procédé similaire. Ainsi, une deuxième plaque 22 peut avoir été gravée en face avant puis en face arrière, de manière à définir une membrane 24 (formée de la manière déjà expliquée ci-dessus) destinée à faire fonction de clapet (figure 1G). Le siège 20 de cette membrane est défini par les motifs dégagés lors de la gravure de la face avant de la première plaque 2. On assemble les plaques ainsi obtenues par une technique de report direct ou indirect, avec ou sans apport de matière intermédiaire (figures 1G et 1H). Le volume réalisé peut être précis, par assemblage des plaques de semi-conducteurs avec un alignement (suivant l'axe xx', sensiblement parallèle au plan principal des plaques de SOI) entre chacune des plaques d'une précision de l'ordre de 2 à 5 }gym.

Le produit obtenu peut être éventuellement retravaillé par des procédés de gravure ou par des procédés mécaniques (amincissement, rabotage...) afin d'obtenir la structure finale. Ainsi, sur la figure 1I, la substrat 28 est aminci. Mais ces étapes d'amincissement ne concernent pas les éléments du dispositif dont la précision reste fixée par le choix de l'épaisseur de la couche superficielle de SOI. On obtient donc une vanne pouvant être actionnée par un fluide. La poussée P d'actionnement de la membrane 24 est déterminée par les caractéristiques du matériau constitutif de cette membrane, son épaisseur, et ses dimensions latérales. L'épaisseur est contrôlée par l'épaisseur de la couche semi-conductrice superficielle initiale, par exemple à 0,5 pm près. L'invention n'est pas limitée à l'utilisation de SOI standard (par exemple : Silicium mince û oxyde enterré û Silicium épais) mais peut s'appliquer à tout produits similaires (ex: Double SOI : silicium mince û oxyde enterré û silicium mince oxyde enterré û silicium épais). La couche d'oxyde enterrée peut être également remplacée par tout autre matériau diélectrique (par exemple du nitrure). D'autres matériaux que le silicium peuvent être utilisés, par exemple le SiGe. Les plaques SOI peuvent être des plaques standard, c'est-à-dire collées. Selon une option avantageuse, dans le cadre de l'invention, on utilise une plaque de EPI-SOI, c'est-à-dire dans laquelle la couche superficielle 4 est obtenue par croissance épitaxiale, qui offre une épaisseur encore mieux contrôlée qu'une plaque SOI standard. Un autre exemple d'un procédé selon l'invention, pour réaliser un dispositif microfluidique, est illustré sur les figures 2A - 2I. On prend ici l'exemple du SOI, en sachant que d'autres semi-conducteurs que du silicium peuvent être utilisés. Dans un tel procédé, on réalise dans chaque plaque des motifs définissant un ou plusieurs sièges 20, 20' et des motifs définissant une ou plusieurs membranes 24, 24'. Ainsi, la figure 2I représente un dispositif comportant deux ensembles, chacun muni d'un siège 20, 20' et d'une membrane 24, 24' reposant sur ce siège en position de repos. Un procédé de réalisation d'un tel dispositif va maintenant être décrit. On sélectionne une première plaque SOI 2 (figure 2A). Là encore, l'épaisseur de la couche superficielle 4 est définie selon les besoins, et peut avoir une précision de l'ordre de quelques dixièmes de pm, par exemple 0,5 pm. Deux couches 10, 10', par exemple de nitrure Si3N4r sont ensuite formées, en face avant et arrière de cette plaque (figure 2B). En face avant de la plaque 2, la couche 4 est gravée, pour définir des motifs 12, 32, et donc motifs, ou des plots et des cavités, formant au moins, d'une part, un futur siège et, d'autre part, une cavité délimitant au moins une future membrane (figure 2C); l'ensemble peut ensuite être recouvert de nouveau d'une couche 14 de matériau 10, qui a là encore une fonction de couche protection (figure 2D). Une gravure face arrière permet de former une ou plusieurs cavités 12', 32' dans le substrat 8 (figure 2E) ; les couches 14, 10' de nitrure ou d'oxyde sont ensuite éliminées, pour libérer la ou les membranes 24 et le ou les sièges 20 (figure 2F). Une étape d'amincissement et/ou de polissage peut alors être réalisée.

Puis, on procède à l'alignement de deux plaques l'une par rapport à l'autre, les faces avant (faces sur lesquelles se trouve la couche superficielle 4 de matériau semi-conducteur) étant tournées l'une vers l'autre. Le positionnement relatif peut être réalisé latéralement à 2 }gym. La deuxième plaque 2' a été sélectionnée sur des critères similaires à ceux retenus pour la plaque 2, et notamment en terme de précision de l'épaisseur de la couche superficielle de semi-conducteur. Elle a subi un traitement semblable à la première plaque 2. On assemble (figure 2H) les plaques ainsi obtenues par une technique de report direct ou indirect, avec ou sans apport de matière intermédiaire. Le volume réalisé peut être précis, par assemblage des plaques de semi-conducteurs, avec un alignement entre chacune des plaques d'une précision de l'ordre de 2 à 5 }gym. Une étape d'amincissement et/ou de polissage peut ici également être ensuite réalisée.

Le produit obtenu peut être éventuellement retravaillé par des procédés de gravure ou par des procédés mécaniques (amincissement, rabotage de l'un et/ou des deux substrats bulk ...) afin d'obtenir la structure finale (figure 2I). Celle-ci comporte au moins deux vannes ou clapets 24, 24', par lesquels un fluide peut circuler sous une pression lui permettant de soulever la membrane du siège 20, 20' correspondant. Cet exemple des figures 2A et suivantes montre la compatibilité du procédé avec un travail collectif sur une plaque unique, puisque diverses zones peuvent être réalisées dans la couche superficielle du même matériau semi-conducteur 4, avec les mêmes précisions (voir figure 2C). Les figures 3A - 3F représentent un autre mode de réalisation d'un procédé selon l'invention, dans lequel on réalise en outre un capot 80 destiné à être assemblé avec, par exemple, un dispositif tel que celui de la figure 2I. Dans une plaque 52 de SOI, comportant une couche 54 superficielle de matériau semi-conducteur, une couche 56 de diélectrique et un substrat 58 (ou bulk ), des motifs définissent une ou plusieurs cavités 62, 62', en face avant et/ou arrière, délimitant entre elles une membrane 64. Sur les figures 3A - 3D, les couches 70, 70' sont des couches, par exemple en nitrure, similaires aux couches 10, 10' de la figure 1C. Ces figures représentent l'enchaînement des étapes permettant de réaliser le capot. Un matériau piézoélectrique 65 peut être déposé dans la cavité 62 réalisée dans le capot (figure 3D).

L'ensemble ainsi obtenu peut être positionné face à un dispositif tel que celui de la figure 2I (figure 3E), puis être assemblé avec ce dispositif, par exemple par scellement (figure 3F). Une chambre 71 peut être ainsi formée entre les deux éléments ainsi assemblés, de manière à laisser circuler un fluide d'un site d'un premier clapet 24' à un site d'un deuxième clapet 24. Il en résulte un dispositif de type pompe, dans lequel la membrane 64 peut être activée par exemple par moyens piézoélectriques, ou électrostatiques. De tels moyens peuvent être logés dans la cavité 62. Cette activation permet par exemple de créer une dépression dans la chambre 71, qui conduit à son tour à une activation de la membrane 24', qui se soulève de son siège 20 et laisse passer un micro volume de fluide, par exemple de l'ordre de quelques picolitres ou de quelques nanolitres. Un actionnement de la membrane 64 en sens inverse permet de faire circuler le fluide dans la chambre 70, vers un deuxième site d'un deuxième clapet 24, qu'il va forcer en ouverture lorsque sa pression sera suffisante. Un autre mode de réalisation de l'invention va être discuté en liaison avec les figures 4A - 4J. Il s'agit là d'utiliser une plaque de type double SOI 400 ou, plus généralement, double semi-conducteur sur isolant, comportant deux films 404, 440 de matériaux semi-conducteurs d'épaisseur adaptée pour chacun. Comme illustré sur la figure 4A, une structure double SOI comporte une première couche 404 de matériau semi-conducteur, par exemple du Silicium monocristallin, sous laquelle se trouve une première couche enterrée 406 d'isolant, par exemple du dioxyde de silicium. L'épaisseur de la couche 404 bénéficie de la même précision que la couche 4 de la figure 1A, ce qui aura les mêmes avantages que ceux expliqués ci-dessus, à savoir une précision garantie pour tout composant (membrane ou cavité) réalisé dans cette couche par un procédé de gravure, la couche 406 faisant fonction de couche d'arrêt. Cette couche enterrée 406 reposeelle-même sur une deuxième couche 440 de matériau semi-conducteur, par exemple du Silicium monocristallin, qui se trouve elle-même sur une deuxième couche enterrée 446 d'isolant, par exemple du dioxyde de silicium. L'ensemble repose sur un substrat 408, lui aussi en matériau semi-conducteur, par exemple en Silicium. Typiquement, les couches 404, 440 ont par exemple des épaisseurs d'environ 1 à 100 }gym, tandis que les couches 406 , 446 ont respectivement une épaisseur de l'ordre de 1 }gym, par exemple comprise entre 0,1 }gym et 2 }gym. On dépose (figure 4B), de part et d'autre de la plaque 400, un matériau 10, 10' (par exemple du nitrure de silicium, ou un métal, ou un oxyde, ou une résine...) destiné à former un masque pour les étapes de gravure suivantes. Ce matériau est structuré selon des premiers motifs et le film 404 de semi-conducteur est gravé par un procédé de gravure sec ou humide (figure 4C) pour reporter ou transférer lesdits motifs (ou plots et cavités) 412, 432 dans la couche 404, la couche 406 formant la couche d'arrêt de la gravure. Les couches 10, 10' sont ensuite éliminées (figure 4D).

Une plaque telle que celle de la figure 2F est également réalisée, suivant les explications données ci-dessus en liaison avec les figures 2A - 2F. Puis (figure 4E), on procède à l'alignement de ces deux plaques l'une par rapport à l'autre, les faces avant (faces sur lesquelles se trouve la couche superficielle 404, 24 de matériau semi-conducteur) étant tournées l'une vers l'autre. Le positionnement relatif peut être réalisé latéralement à 2 }gym. On assemble (figure 4F) les plaques ainsi obtenues par une technique de report direct ou indirect, avec ou sans apport de matière intermédiaire. Le volume réalisé peut être précis, par assemblage des plaques de semi-conducteurs, avec un alignement entre chacune des plaques d'une précision de l'ordre de 2 à 5 }gym. Le produit obtenu peut être aminci par élimination du substrat semi-conducteur 408 (figure 4G), après protection de la face arrière du deuxième substrat par une couche 100, par exemple en nitrure. La face arrière ainsi dégagée du premier substrat va pouvoir être gravée sur l'épaisseur de la couche 440, pour y dégager des cavités 412, 412' (figure 4H), par exemple par gravure humide, ou par gravure sèche avec couche d'arrêt. Un capot 40 peut par ailleurs être réalisé, comme expliqué ci-dessus en liaison avec les figures 3A 30 à 3F, et peut être positionné (figure 4I) face à un dispositif tel que celui de la figure 4H, puis être assemblé avec ce dispositif, par exemple par scellement (figure 4J). Une chambre 471 est formée entre les deux éléments ainsi assemblés, de manière à laisser circuler un fluide d'un site d'un premier clapet 424 à un site d'un deuxième clapet 24. Un matériau piézoélectrique 65 peut être déposé dans la cavité réalisée dans le capot. L'avantage de ce mode de réalisation est que l'amincissement du dispositif se fait par simple élimination d'une couche 408 de semi-conducteur du substrat double SOI. L'invention concerne donc un procédé de fabrication collective de cavités, et/ou membranes, et/ou clapets, et/ou valves et/ou micro-conduits dans des tranches de semi-conducteur avec une grande précision (inférieure ou égale à quelques micromètres, par exemple inférieure ou égale à 2 pm, suivant les trois dimensions). Ce procédé peut être mis en oeuvre par lots, sans contrôle au cours de la fabrication. Une fabrication par lot signifie que plusieurs plaques peuvent être usinées en même temps, au lieu du procédé unitaire connu, mis en oeuvre plaque à plaque. Un contrôle d'un volume ainsi réalisé est obtenu par un contrôle préalable précis de l'épaisseur du film gravé - ce que permettent les plaques de SOI et autres plaques à structure semi-conducteur sur isolant. Les autres dimensions sont contrôlées par la réalisation d'un masque de dimensions précises.

L'invention permet donc de contrôler précisément les dimensions des cavités et des membranes créées, indépendamment des conditions de fabrication. La couche enterrée d'oxyde ou de diélectrique - qui forme la couche d'arrêt - permet de s'affranchir des variations du procédé de gravure (vitesse de gravure et homogénéité), l'épaisseur gravée étant uniquement fixée par l'épaisseur du film de semi-conducteur, par exemple du silicium. La présence de la couche d'oxyde enterrée évite tout contrôle dimensionnel au cours du procédé de gravure. L'invention permet une fabrication collective et par lot. Un contrôle ultra précis des dimensions des cavités et des membranes est réalisé, et n'est limité que par la tolérance sur l'épaisseur du film superficiel de matériau semi-conducteur en surface de la plaque choisie, tolérance qui peut être inférieure au micromètre. Les dimensions obtenues sont indépendantes du procédé de gravure choisi et de sa variabilité. Un procédé selon l'invention permet en outre une très bonne reproductibilité et une très bonne homogénéité de fabrication.25

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Procédé de réalisation collective de cavités (21) et/ou de membranes (24), ayant une épaisseur d donnée, dans une plaque (2, 400), dite de semi-conducteur sur isolant, comportant au moins une couche (4, 404, 440) superficielle de semi-conducteur d'épaisseur d sur une couche (6, 404, 406) d'isolant, cette dernière reposant elle-même sur un substrat (8, 408), ce procédé comportant : - la gravure de la couche superficielle de semi-conducteur d'épaisseur d, la couche d'isolant formant couche d'arrêt, pour former lesdites cavités et/ou membranes dans la couche superficielle.

2. Procédé selon la revendication 1, la plaque (2, 400) étant une plaque de SOI.

3. Procédé selon la revendication 2, la plaque (2, 400) étant une plaque de type EPI-SOI, obtenue par épitaxie.

4. Procédé selon la revendication 1, la plaque (2, 400) étant une plaque de double SOI.

5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, comportant en outre, avant gravure, le positionnement d'un masque sur, ou au-dessus de, la couche superficielle. 30

6. Procédé de réalisation collective de cavités et/ou de membranes, comportant, pour chaque plaque d'un lot de plaques, la réalisation d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 5.

7. Procédé de réalisation d'un volume clos ou semi-clos, comportant : - la réalisation d'un procédé de selon l'une des revendications 1 à 6 pour une première et une deuxième plaques de semi-conducteur sur isolant, -l'alignement de ces deux plaques, - l'assemblage des deux plaques. 11. Procédé selon la revendication 7, les 15 deux plaques étant assemblées par collage direct ou indirect, avec ou sans apport de matière intermédiaire. 12. Procédé selon la revendication 7, les deux plaques étant assemblées par collage par adhérence 20 moléculaire. 13. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, comportant en outre, après assemblage des deux plaques, une étape d'amincissement de l'une de ces deux 25 plaques. 14. Procédé de réalisation d'une microvalve comportant : - la formation, selon un procédé selon 30 l'une des revendications 1 à 10, d'au moins un siège (20, 20') de ladite microvalve dans une couche (4) desemi-conducteur d'une première plaque (2) de semi-conducteur sur isolant, - la formation, selon un procédé selon l'une des revendications 1 à 10, d'au moins une membrane (24) de ladite microvalve dans une couche de semi-conducteur d'une deuxième plaque (22) de semi-conducteur sur isolant, - l'assemblage de la première et de la deuxième plaques, par leur face avant, de manière à 10 positionner la membrane (24) sur le siège (20). 12. Procédé selon la revendication 11, comportant en outre : - la formation, dans au moins la première 15 plaque, d'au moins une membrane (24) et d'au moins un siège (20) dans la couche superficielle (4) de matériau semi-conducteur de cette plaque, et d'au moins un siège (20') et d'au moins une membrane (24') dans la couche superficielle de matériau semi-conducteur de la 20 deuxième plaque, - l'assemblage de la première et de la deuxième plaques, par leur face avant, formant au moins deux microvalves. 25 13. Procédé selon l'une des revendications 11 ou 12, comportant en outre une étape de réalisation d'un capot (80) dans une troisième plaque (52), et une étape d'assemblage de ce capot avec au moins une microvalve. 3014. Procédé selon la revendication 13, ladite troisième plaque (52) étant une plaque de SOI. 15. Procédé selon la revendication 13 ou 14, ledit capot (80) comportant au moins une membrane (64). 16. Procédé selon la revendication 15, comportant en outre la formation de moyens d'activation piézoélectriques, ou électrostatiques de la membrane. 17. Procédé selon la revendication 15 ou 16, la membrane étant délimitée par deux cavités (62, 62') réalisées dans la troisième plaque.15