Étude d'un procédé d'encapsulation Étude d'un procédé d'encapsulation sous vide sur tranche de sous vide sur tranche de

microsystèmes électromécaniquesmicrosystèmes électromécaniques

S. Lani, A. Bosseboeuf, X. Leroux, B. Belier, D. S. Lani, A. Bosseboeuf, X. Leroux, B. Belier, D.

Bouville, W. De MarcillacBouville, W. De Marcillac

Institut d’Électronique Fondamentale, UMR8622Institut d’Électronique Fondamentale, UMR8622

Université Paris XIUniversité Paris XI

22

Plan d’étudePlan d’étude

Pourquoi?Pourquoi?

Le procédé d’assemblage de substrats par Le procédé d’assemblage de substrats par soudure eutectiquesoudure eutectique

Le film getterLe film getter

Les connections électriquesLes connections électriques

Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives

33

Pourquoi?Pourquoi?

Assemblage de substrats => collectifAssemblage de substrats => collectif

Protection contre l’environnementProtection contre l’environnement

Amélioration des performances des systèmes Amélioration des performances des systèmes encapsulésencapsulés

Contrôle et test intégréContrôle et test intégré

Séparation des pucesSéparation des pucesSubstratSubstrat

CapotCapotConnexions électriquesConnexions électriques

GetterGetter

MicrosystèmeMicrosystème

SoudureSoudure CavitéCavité

44

Le procédé d’assemblage de Le procédé d’assemblage de substrats par soudure eutectiquesubstrats par soudure eutectique

Choix des matériaux :Choix des matériaux : Alliage eutectique Au-Si (19% de Si, TAlliage eutectique Au-Si (19% de Si, Tff=363°C)=363°C) Couches étudiésCouches étudiés

Substrat

Or

Barrière de diffusion

Couche d’adhésionBarrière électrique

100 à 300nm100 à 300nm

Pt ou Ni : 10 à 30nm (facultatif)Pt ou Ni : 10 à 30nm (facultatif)

Ti : 10nmTi : 10nm

SiOSiO22 : 500nm (facultatif) : 500nm (facultatif)

Si : 500 µmSi : 500 µm

55

Le procédé d’assemblage de Le procédé d’assemblage de substrats par soudure eutectiquesubstrats par soudure eutectiqueChoix des matériaux :Choix des matériaux :

Alliage eutectique Au-Si (19% de Si, TAlliage eutectique Au-Si (19% de Si, Tff=363°C)=363°C) Couches étudiésCouches étudiés Caractérisation des couches recuites (RBS, résistivité, Caractérisation des couches recuites (RBS, résistivité,

RX, rugosité rms)RX, rugosité rms)

Spectre RBS des empilements Spectre RBS des empilements Au/Ti/SiAu/Ti/Si

Si(bulk)

Si(surface)Ti

(film)

Au (film)Top

surface

Annealingtime

(430°C)20 min40 min60 min

430°C

380°C

Annealingtime

(380°C)40 min60 min

20 min0 min

Si(bulk) Si

(SiO2)Ti

Au

Sisurface

Tisurface

Ti(film)

Spectre RBS des empilements Spectre RBS des empilements Au/Ti/SiO2/SiAu/Ti/SiO2/Si

66

Le procédé d’assemblage de Le procédé d’assemblage de substrats par soudure eutectiquesubstrats par soudure eutectiqueDéterminations des conditions expérimentales Déterminations des conditions expérimentales pour la soudurepour la soudure

Au/Ti => scellement peu adhérentAu/Ti => scellement peu adhérent

Au/Ti/SiO2 & Au/Pt/Ti => scellement Au/Ti/SiO2 & Au/Pt/Ti => scellement très adhérenttrès adhérent

Au/Ni/Ti => non scelléAu/Ni/Ti => non scellé

Bonder : EVG-501Bonder : EVG-501T°C : 380°C à 450°CT°C : 380°C à 450°CTemps de soudure : 15min à Temps de soudure : 15min à 120min120minPression résiduelle : 10Pression résiduelle : 10-3-3 mBar mBarPression appliquée : 1500 à Pression appliquée : 1500 à 3500N3500N Empilement Au/Ti/SiO2/SiEmpilement Au/Ti/SiO2/Si

Empilement Au/Ti/SiEmpilement Au/Ti/Si

77

Le procédé d’assemblage de Le procédé d’assemblage de substrats par soudure eutectiquesubstrats par soudure eutectiqueAssemblage de cavités sous videAssemblage de cavités sous vide

Substrat Substrat avec avec cordons en cordons en Au/Ti/SiO2Au/Ti/SiO2

Défaut Défaut d'alignement d'alignement (imagerie IR)(imagerie IR)

Capot Capot réalisé réalisé par par gravure gravure KOHKOH

Cordon

Cavité

Image IR de 2 Image IR de 2 substrats substrats alignés, après alignés, après soudure soudure eutectiqueeutectique

88

Le procédé d’assemblage de Le procédé d’assemblage de substrats par soudure eutectiquesubstrats par soudure eutectique

Déflexion en fonction de la Déflexion en fonction de la pression externe du capot en pression externe du capot en siliciumsilicium

Caractérisation de l’assemblageCaractérisation de l’assemblage

Vide

Substrat

Capot

Pression atmosphérique

Vide résiduel mesuré par profilométrie optique : 5.10-2 mBar

99

Étude d’un film getterÉtude d’un film getter Pression stable dans le temps (10 à 20 ans)Pression stable dans le temps (10 à 20 ans) Pression dans la cavité plus faible (10Pression dans la cavité plus faible (10-4-4 mBar) mBar)

O apparu (10^16 atm/cm2)

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

durée recuit (min)

O a

pp

aru

(10^16 a

tm/c

m2)

évaporation380°C

évaporation 415°C

Image de cavités dans un substrat de silicium intégrant un film getter et encapsulées avec un substrat de verre

Quantité d’oxygène incorporé dans le film getter en fonction de la température de recuit mesuré par spectrométrie RBS

1010

Réalisations des connections Réalisations des connections électriquesélectriques

Vias (gravure RIE profonde)Vias (gravure RIE profonde)

Vue en coupe d’une matrice de vias Vue en coupe d’un via

1111

Réalisations des connections Réalisations des connections électriquesélectriques

Métallisation des viasMétallisation des viasDépôt par pulvérisation cathodique d’une couche Dépôt par pulvérisation cathodique d’une couche métalliquemétallique

Dépôt électrochimique de cuivre (partiel)Dépôt électrochimique de cuivre (partiel)

Micro analyse X en coupe sur des échantillons métallisés

Si

Au

1212

Réalisations des connections Réalisations des connections électriquesélectriques

Si

Si SiO2

Au/SiSi Au

O

Micro analyse X en coupe sur des échantillons assemblés par soudure eutectique

Cordon adapté aux besoins

1313

ConclusionConclusionRéalisation de cavités sous videRéalisation de cavités sous vide

Mise en place d’un getterMise en place d’un getter

Développement de connections électriquesDéveloppement de connections électriques

PerspectivesPerspectivesEncapsulation d’un microsystème dans la cavité (en cours)Encapsulation d’un microsystème dans la cavité (en cours)

Getter : mesure de la pression interne (à l’aide d’un Getter : mesure de la pression interne (à l’aide d’un microsystème)microsystème)

Via : caractérisation de la résistivité de la connectionVia : caractérisation de la résistivité de la connection

Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives