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EP1551754A2 - MICROSTRUCTURE A SURFACE FONCTIONNALISEE PAR DEPOT LOCALISE D'UNE COUCHE MINCE ET PROCEDE DE FABRICATION ASSOCIE - Google Patents

MICROSTRUCTURE A SURFACE FONCTIONNALISEE PAR DEPOT LOCALISE D'UNE COUCHE MINCE ET PROCEDE DE FABRICATION ASSOCIE

Info

Publication number
EP1551754A2
EP1551754A2 EP03792450A EP03792450A EP1551754A2 EP 1551754 A2 EP1551754 A2 EP 1551754A2 EP 03792450 A EP03792450 A EP 03792450A EP 03792450 A EP03792450 A EP 03792450A EP 1551754 A2 EP1551754 A2 EP 1551754A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
film
microstructure
electro
electromechanical
zone
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03792450A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Christophe Bureau
Christophe Kergueris
François PERRUCHOT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alchimer SA
Original Assignee
Alchimer SA
Tronics Microsystems SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alchimer SA, Tronics Microsystems SA filed Critical Alchimer SA
Publication of EP1551754A2 publication Critical patent/EP1551754A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0064—Constitution or structural means for improving or controlling the physical properties of a device
    • B81B3/0094—Constitution or structural means for improving or controlling physical properties not provided for in B81B3/0067 - B81B3/0091
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C43/00—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor
    • B29C43/32—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C43/58—Measuring, controlling or regulating
    • B29C2043/5825—Measuring, controlling or regulating dimensions or shape, e.g. size, thickness
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0214—Biosensors; Chemical sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0228—Inertial sensors
    • B81B2201/0235—Accelerometers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0264—Pressure sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/06—Bio-MEMS
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0127—Diaphragms, i.e. structures separating two media that can control the passage from one medium to another; Membranes, i.e. diaphragms with filtering function
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001—Core members of the connector
    • H01L2224/45099—Material
    • H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/45144—Gold (Au) as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15—Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/181—Encapsulation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S977/00—Nanotechnology
    • Y10S977/70—Nanostructure
    • Y10S977/724—Devices having flexible or movable element
    • Y10S977/733—Nanodiaphragm

Definitions

  • the invention lies in the field of microcomponents comprising an electromechanical microstructure produced by micro-machining and a functionalization provided by an organic layer produced on the surface.
  • the invention relates in particular to the field of sensors.
  • the present invention applies to electromechanical microstructures, produced by micromachining according to known MEMs techniques (MicroElectroMechanical Systems) based on the use of successive masks to perform localized chemical or mechanical micromachining operations.
  • MEMs techniques MicroElectroMechanical Systems
  • These microstructures when they include a mechanical element which deforms elastically under the effect of a force, associated with displacement measurement means, can for example serve as a force sensor: pressure sensor, acceleration sensor , contact sensor, strain gauge, ....
  • micro-machined structures on monocrystalline silicon makes it possible to obtain elements having very high mechanical performance (absence of hysteresis, response
  • the electromechanical microstructures produced by micromachining of silicon are used for miniature pressure sensors which can be used in vivo in the medical field, in particular when they are integrated within microsystems (component integrating functions measurement, signal processing and communication).
  • Conventional techniques for encapsulating pressure sensors such as, for example, encapsulating. the interior of a deformable sealed cell filled with an oil bath, are not suitable for these microstructures when the final size of the component is a critical parameter.
  • Pressure sensors can be used, like chemical sensors, with the sensitive part of the sensor - a membrane - in direct contact with the medium to be characterized.
  • the objective of the preconditioning stage is generally to obtain a functionalization of the surface of the microstructures making it possible to facilitate the following stages of conditioning. When this step is collective, it reduces the final cost of the component. The quality of a preconditioning process is judged, beyond its cost, by the simplification that it allows for the following conditioning steps.
  • preconditioning There are today various known methods of preconditioning which make it possible to provide different functions to this type of microstructure or component, in particular when they are called upon to be assembled in a compact manner within a microsystem.
  • the functionalization of the membrane of a sensor is known from a thin layer produced in the liquid phase by soaking or by centrifugation.
  • These techniques can for example be used for the deposition of silicones (of PDMS type for example) for pressure sensors used in vivo for medical applications [Development of a completely encapsulated intraocular pressure sensor, Walter P. et al, Ophthalmic Research ( 2000), 32, p 278-284].
  • CVD plasma vapor deposition
  • the layers produced by deposition of a parylene film by plasma are recognized as uniform, without perforations, with low permeability to mold and good dielectric properties for thicknesses greater than 10 microns and it is difficult to control a thickness. better than a few microns.
  • a film thicker than 5 ⁇ m divides the sensitivity of the sensor by a factor greater than 2.
  • the adhesion of parylene films is of poor quality.
  • the layers produced by deposition of silicones are excellent for short-term protection but degrade rapidly over time. The problem of air bubbles which are trapped in the layer is the cause of adhesion defects which propagate over time.
  • the chip transfer technique is known (so-called "flip-chip” technique).
  • the electrical and mechanical interconnection is carried out by means of bosses of conductive fusible material produced on the connection pads of the microstructure and welded by a heat treatment to the connection pads of the transfer substrate placed opposite.
  • the known pre-conditioning associated with this micro-packaging method includes the preparation of the bosses using different methods: collective
  • the reliability of the mechanical interconnection can be improved by applying a dielectric filling material, or "underfill", between the chip and the substrate which makes it possible to absorb the difference in coefficients of thermal expansion of the chip and the substrate.
  • This method uses an additional step after the preconditioning intervening after the postponement therefore not collective and is difficult to implement for microstructures of small size and having on the same face of the connection pads and a sensitive surface (sensor).
  • the selective coating can be carried out, before or after formation of bosses on the contact pads, by screen printing or by jet of material.
  • the delicate step of filling the interstice between the chip and the substrate individually by capillary action after the chip has been transferred is thus avoided.
  • preconditioning solutions consisting in applying to the entire surface of a chip wafer before their dissociation an anisotropic conductive adhesive, in film or in paste. In this way, electrical and mechanical interconnections are made in a single step.
  • microstructures comprising on the surface functionalizations produced from a local deposit of thin film material. These microstructures being produced collectively on a wafer, there is a need for wafers adapted to the collective treatment of these components.
  • the present invention relates to an electro-mechanical microstructure produced in general,
  • B 14223 GB collectively, by micro-machining to which are added one or more functions provided by the localized deposition of a thin layer.
  • the deposited thin layer has good qualities of adhesion to the deposition surface, the bond being a covalent bond.
  • the thicknesses of the material supplied and their homogeneity are well controlled. It thus becomes possible to guarantee good reproducibility and stable performance over time. Unlike the prior art, all the advantages brought are brought simultaneously without one being obtained at the expense of the other.
  • the present invention also relates to a wafer allowing the collective functionalization of microstructures or electromechanical or electronic chips and substrates before the micropackaging, packaging or assembly steps carried out during packaging.
  • the term chip is understood to mean a miniaturized element produced collectively (by lof ⁇ for example with known technologies of electronics and / or microelectronics.
  • the plate more generally allows the collective functionalization of electronic or electro-mechanical components from a localized deposition technique of a thin layer.
  • the plates according to the invention are particularly suitable for the collective pre-conditioning of components before their assembly within microsystems.
  • the wafer described here makes it possible to pre-condition a chip collectively (therefore at low unit cost), in an extremely small footprint (substantially the size of the chip motif).
  • B 14223 GB makes it possible to bring multiple functionalities to the chip by the use of a generic technique making it possible overall to facilitate the problems of encapsulation and interconnection. It does not impose any restrictions on the size of the components and the surfaces to be treated.
  • the preconditioning of the chips or microstructures of the wafer negligibly degrades the performance of each chip or microstructure compared to their performance before preconditioning.
  • the object of the invention is to propose a high-precision electromechanical microstructure with elastic deformation comprising functions provided by localized electrochemical deposition of an organic thin layer on the surface of the elastic part.
  • the use of organic layers can potentially provide a large choice of functions from organic chemistry.
  • An object of the invention is also to propose such a microstructure which can have different functions provided by organic films, including outside the elastic part without appreciable degradation of the intrinsic qualities of the component.
  • the invention finally aims to provide a microcomponent made from a microstructure assembled on a support.
  • the invention more specifically relates to an electromechanical microstructure comprising a first part called mechanical part made of a first electrically conductive material, and which comprises on the one hand an elastically deformable zone having a
  • B 14223 GB thickness value and an exposed surface and on the other hand a first organic film having a thickness, present on the whole of the exposed surface of said deformable zone, characterized in that the thickness of the first film is such that the elastic response of the deformable zone provided with the first film does not change by more than 5% compared to the response of the naked deformable zone or in that the thickness of the first film is less than ten times the thickness of the zone deformable.
  • a thickness of the first film can be chosen so as not to modify the elastic response of the deformable zone provided with the first film or so as not to modify the stability over time of the elastic response of the deformable zone provided with the first film. This choice must take into account the quality desired for the deformable zone provided with the first film, the mechanical effect of the film and the fluctuations in time associated therewith. This leads to limiting the modification coming from the film to values lower than 1% or 5% respectively.
  • the organic film is covalently bonded to the surface of the deformable zone to obtain strong adhesion and guarantee its functionality from low thicknesses.
  • the organic film is preferably produced from an electro- chemical reaction
  • B 14223 GB initiated allowing electrografting of monomers on the conductive surface, initiating the attachment or the growth of an insulating organic molecule of given length.
  • This technique makes it possible to guarantee both the spatial location of the film and to control its thickness.
  • the films are preferably produced with a high coverage rate making the layers homogeneous and dense.
  • This first film can simultaneously provide different types of functions to the surface of the deformable zone, such as chemical protection of the surface or functionalization guaranteeing different chemical properties.
  • the microstructure comprises different organic films on different parts, including on non-elastic parts. These organic films can combine different properties, such as conductor or insulator, lubricant, adhesive - allowing to facilitate the conditioning of the microstructure.
  • the invention can be applied to the production of a sensor comprising an electromechanical microstructure micromachined on a semiconductor.
  • This sensor can for example be a pressure sensor, a touch sensor or a strain gauge.
  • the invention also relates to the wafer comprising a set of microstructures produced, preferably, by a collective process, the wafer thus allowing the simultaneous functionalization of a set of identical areas of the microstructures.
  • These identical ranges define a family of ranges to be functionalized, a wafer possibly comprising different families.
  • this plate includes a different common electrode for each family, this electrode electrically connecting all of the pads belonging to this family of pads.
  • the same common electrode is used for several families, each family being further characterized by a bare conductive surface (before its lining) of a different chemical nature in the sense of electro-grafting.
  • the common electrode is connected to the different ranges of the same family via impedances characterizing a family considered.
  • impedances are diodes characterized by a conduction threshold, a zero conduction threshold being conventionally assigned to a short circuit.
  • a diode can be used to connect the common electrode to one or more areas.
  • each range of a family is associated either with a single diode, or in a one-to-one fashion with a diode of each microstructure.
  • single common electrode, common electrode for families characterized by the chemical nature of the surface, common electrode for families characterized by the diodes used can be combined within the same wafer.
  • a common electrode can be used for families characterized in a cross manner both by the chemical nature of their surface and by the diodes used.
  • the common electrode can be associated with diodes allowing simultaneous addressing of the ranges of the same family, each range of a microstructure being connected to the common electrode via a diode allowing to test the microstructures separately before cutting the wafer.
  • the common electrode can be produced by metallization on the surface of the wafer.
  • the diodes can be produced by local implantation making it possible to create semiconductor junctions of the np or pn type.
  • the transfer of all the electrical contacts to the same flat reference surface allows assembly on a flat support.
  • the transfer of the contacts to lower layers can be carried out via metallizations on inclined micromachined faces.
  • the plane reference surface can be the epitaxial surface.
  • microstructure can be interconnected to a so-called interconnection support produced on semiconductor comprising tracks and different families of electrical interconnection pads, of which at least one of the families has a coating adhesive produced by electro-initiated grafting.
  • the patterns of the interconnection support are made using selectivity by materials or by diodes made by local doping. This local doping is also used for producing the tracks of the support, an appropriate polarization making it possible to guarantee the isolation between tracks.
  • the semiconductor substrate of the support can be used as the common electrode.
  • microstructure can be interconnected to a so-called interconnection support itself comprising an electronic component made from the assembly of an active electronic part and a functionalizable cover produced partly like the
  • the invention can be used to produce a microsystem comprising one or more microstructures as described above, assembled on a silicon interconnection support of which at least one of the microstructures is assembled by using an adhesive coating.
  • the interconnection support has an opening arranged opposite the sensitive surface (in contact with the environment) of the sensor.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a silicon wafer comprising a set of micromachined sensors and an electrochemical lining circuit.
  • FIG. 2 is a diagram indicating, as a function of a bias voltage applied to a conductive pad, the electrochemical current passing through an electrochemical grafting circuit.
  • Figures 3a to 3i show schematically cross sections of example microstructures according to the invention.
  • Figure 5 is a schematic representation of a particular embodiment of a microstructure for producing a pressure sensor according to the invention comprising a functionalized membrane. It comprises a part A representing a cross section of the microstructure and a part B representing a top view.
  • FIG. 6 is a schematic representation of a microsystem produced from the assembly on an interconnection support, of a microstructure according to the invention, of a dedicated electronic component (ASIC). It comprises a part A representing a cross section of the microsystem after assembly, a part B representing a top view before assembly of the interconnection support, and parts C and D schematically representing a top view before assembly of the integrated circuit and the microstructure respectively.
  • ASIC dedicated electronic component
  • FIG. 7 is a modeling of the configuration allowing the selective functionalization of two families of electrically connected ranges. It comprises a part A schematically representing the topology of the configuration and a part B representing an electrical modeling of the part in solution of the electrochemical circuit.
  • Figure 8 shows the modifications to the diagram in Figure 2 for the electrochemical circuit modeled in Figure 7.
  • FIG. 9 is a schematic representation of a particular embodiment of a microstructure according to the invention for producing a pressure sensor comprising a functionalized membrane, electrical contacts covered with an organic film and a seal. It comprises a part A representing a cross section of the microstructure and a part B representing a top view.
  • FIG. 10 describes the diagram associated with the successive stages of functionalization of the microstructure of FIG. 9.
  • FIG. 11 is a schematic representation of a silicon interconnection support comprising a coupling antenna making it possible to assemble a microstructure according to the invention and an integrated circuit forming an electronic interface component. It comprises a part A representing a cross section of the interconnection support and a part B representing a top view.
  • FIG. 12 is a schematic section of a microsystem produced by the assembly of an interconnection support as described in FIG. 11 after functionalization with a microstructure as described in FIG. 9 after functionalization and a conventional electronic component assembled by wire-bounding.
  • Figure 13 is a schematic representation of an electronic component according to the invention comprising an active electronic part and a protective cover for obtaining electrical contacts covered with an adhesive. It includes a
  • part A representing a cross section of the component and part B representing a top view.
  • FIG. 14 is a schematic section of a microsystem produced by the assembly of a silicon interconnection support comprising a coupling antenna, as described in FIG. 11, after functionalization, with a microstructure, as described in FIG. 9, after functionalization, and an electronic component as described in FIG. 13, after functionalization.
  • FIG. 1 shows a particular silicon wafer 100, in accordance with the invention.
  • the silicon wafer 100 comprises a plurality of microstructures 1 produced on its surface.
  • the microstructures 1 are represented diagrammatically by a mechanical part 102 comprising a deformable zone 104 in the form of a membrane.
  • the microstructures 1 are capable of receiving a lining by electrochemical means making it possible to
  • the bare membranes 104 represent areas to be filled. They are electrically connected by a common electrode 106 to a common addressing pad symbolically represented by the reference 108 in FIG. 1.
  • the common addressing pad 108 may or may not be placed on the silicon wafer 100.
  • the reference 120 indicates a potentiostat for the realization of a mounting preferably with 3 electrodes.
  • the potentiostat 120 is connected to a working electrode 110, connected to the common addressing pad 108, to a reference electrode 122 and to a counter electrode 112.
  • the counter electrode 112, and the conductive pads to be trimmed 104 are set in contact with the same electrochemical medium 114 so as to form together with the wafer 100, the electrochemical circuit 116.
  • the potentials are measured relative to the reference electrode 122.
  • a potential is applied to the common addressing pad 108 either by a 2-electrode assembly, or, preferably and as shown in FIG.
  • composition of the electrochemical bath can be widely variable depending on the type of lining that it is desired to form on the conductive pads.
  • packing is meant an organic coating produced in a thin layer by electrochemical means.
  • FIG. 2 is a diagram, more precisely an ammogram flight, indicating on the ordinate the evolution of an electrochemical current in the circuit 116 shown in FIG. 1.
  • the current is given as a function of a potential applied to a conductive pad 104 relative to to the reference electrode 122. This potential is plotted on the abscissa.
  • the current I and voltage V are indicated on an arbitrary scale.
  • the diagram in FIG. 1 is a diagram, more precisely an ammogram flight, indicating on the ordinate the evolution of an electrochemical current in the circuit 116 shown in FIG. 1.
  • the current is given as a function of a potential applied to a conductive pad 104 relative to to the reference electrode 122. This potential is plotted on the abscissa.
  • the current I and voltage V are indicated on an arbitrary scale.
  • electro-grafting corresponds to a particular packing process obtained by electro-initiated reaction: it is an electro-grafting coupled with a chemical growth of polymer, such as can be obtained by electro-reduction or electro-oxidation of vinyl monomers or of cyclic monomers cleavable by nucleophilic or electrophilic attack, or also by electro-reduction or electro-oxidation of electro-cleavable precursors, in particular when their products electro-reduction or electrooxidation are reactive radicals, in particular by electro-reduction of diazonium, sulfonium, phosphonium or iodonium salts.
  • the electro-grafting of monomers makes it possible to covalently fix polymers on the conductive or semiconductive pads.
  • the constant polarity of the applied voltage for a given packing is called the polarity of the packing.
  • the electrochemical current flowing through the circuit is not exactly correlated to the growth of a lining material on the conductive pads.
  • the electrochemical current translates at least two distinct and competing phenomena.
  • a first phenomenon is the phenomenon sought and corresponding to the formation of the lining on the conductive pads.
  • Another phenomenon corresponds to the parasitic formation of polymers in the electrochemical bath, independently of the lining support.
  • the polymers thus formed are optionally fixed on the conductive pads by physical sorption but their fixing is not stable, they are removed by rinsing.
  • Vsat denotes a potential called “saturation potential", which is generally greater than a peak potential Vp for which the current as a function of the applied potential has a maximum.
  • the "saturation potential” Vsat is a potential above which the thickness of grafted material does not change with the time of application of the voltage to the conductive pad. Said thickness is the asymptotic limit of the maximum thickness which can be obtained in a given electrolytic bath.
  • This potential also corresponds to a minimum value allowing, from voltammetric scans of potential carried out between a value less than or equal to Vg and a stop value greater than or equal to
  • the polarization of the areas to be trimmed is ideally maintained at least equal to the saturation potential Vsat.
  • V s , V g V p Vsat of the voltammogram depend both on the nature N of the conductive surface of a pad to be trimmed and on the type of trim X. This will be recalled when necessary by the notation V [X / N] thereafter.
  • B 14223 GB localized because it is by nature less sensitive to inhomogeneities of the electric field.
  • This localized grafting makes it possible to treat supports with a high density of areas, without the use of masks.
  • the local thickness of a coating produced from an electro-initiated reaction using the grafting of insulating monomers to hook certain organic chains or initiate their growth depends on the length of the chain forming the molecule of the grafted product and on the grafting density. The molecule being chosen so that its length of the chain is an intrinsic datum of the solution used, the process therefore leads to a saturation of the thickness of the coating and limits the side effects.
  • the coverage rate of the pad by the lining is a function depending on the electrochemical kinetics of the grafting reaction.
  • a first level of homogeneity of the coating is obtained as soon as the potential on the surface of each range is in a potential window guaranteeing minimal grafting kinetics. This less restrictive condition that described below facilitates practical implementation by limiting the effects of potential inhomogeneities.
  • the grafting rate defined as being the number of surface sites grafted onto the total number of available sites of the surface, which is then obtained is typically greater than 30%. This grafting rate corresponds to a coverage rate of 60%.
  • the effects of potential variations can even be avoided by using the method in a saturation mode: by repeating the scanning of the voltage between a potential less than V g and a potential lying beyond the saturation potential up to obtain a saturation of the number of grafted sites, the thickness of the coating is an intrinsic value which no longer depends on the exact value of the local potential but just on its presence in a window of potential beyond the saturation potential.
  • This mode provides a high grafting rate (greater than 60%, which most often corresponds to the maximum grafting rate taking into account the steric hindrance between neighboring chains. These grafting rates ensure coverage rates greater than 90%, which means that the coating is covering or almost covering).
  • the inhomogeneities of the potential can come from the existence of a resistance of finite value along the common electrode 106. Indeed, with reference to FIG. 1, the potential controlled is that applied by the potentiostat 120, at the level of the common addressing pad 108, measured with respect to the reference electrode 122. However, it is the potential present locally between each pad to be filled 104 and the reference electrode 122 which governs the electro-initiated reaction.
  • the potential V depends on the current flowing in the common electrode
  • the simplest model that can be used has a resistance R taking into account the fall of
  • the resistance R is an equivalent resistance determined from the drop in potential along the common electrode 106 between the conductive pad to be trimmed 104 and the end of the common electrode corresponding to point 108, calculated for the maximum current value Im passing through it divided by the current necessary to process the range. For the calculation of this resistance R, one must in particular take into account the effect of the currents necessary for the simultaneous treatment of the other ranges. This resistance R is called access resistance or electrode resistance of the range.
  • the maximum electrochemical current Im corresponds to a current density per unit of surface to be grafted. It is therefore proportional to the surface of the beach. This current density makes it possible to define by analogy a differential surface resistance of treatment characteristic of the electrochemical process used.
  • a first order of magnitude of the resistance not to be exceeded for the access resistance R can be given by the following approach.
  • the typical value measured for grafting the current density is of the order of 1 mA / cm2. For ranges of 100 ⁇ m on the side this corresponds to a current of 100 nA.
  • the typical width of Vp-Vg is of the order of 300 mV. This gives a differential grafting impedance Rg of the order of 3 M ⁇ .
  • the objective is not to lose the benefit provided by the use of a stable electro-mechanical microstructure, such as for example a membrane 104 made of monocrystalline silicon, following the functionalization by an organic film by nature less stable over time. This is particularly important when the
  • B 14223 GB mechanical structure is made from a single crystal.
  • the elasticity of a thin layer is a function of the elastic modulus E of the material and its thickness h.
  • a coating As a first approximation, a coating
  • dP P x E2 / E1 x (h2 / hl) 3
  • dP P x E2 / E1 x (h2 / hl) 3
  • dP [t] is the value of the compensation pressure over time, the maximum value being evaluated over the duration of use of the sensor.
  • the desired precision ⁇ P is of the order of 0.1% (1 mbar over 1 bar).
  • dP / P be the relative pressure variation linked to the presence of the film called the film transmission.
  • the most restrictive condition (1) in this case imposes a transmission of less than 0.1%.
  • the second condition (2) authorizes a transmission of between 1 and 5% depending on the value of the index s of mechanical fluctuation of the film over time (from 10% to 50%).
  • the first condition (1) imposes a thickness of the polymer layer less than 1 ⁇ m.
  • the second condition (2) allows thicknesses of up to 3 ⁇ m to be used. This thickness of the polymer layer depends weakly on the elasticity of said layer. Additional simulations have shown that the thickness of the layer can vary by about ten times the thickness of the membrane for the most flexible materials but must remain less than the thickness of the membrane for the materials of intermediate elasticity.
  • the thickness used must be compatible with the function provided by the layer, in particular when it is a protective function.
  • FIGS 3a to 3i show schematically different embodiments of electromechanical structure 1 according to the invention.
  • an electromechanical microstructure 1 comprises a first part 102 called the mechanical part, comprising an elastically deformable zone 104.
  • the zone 104 is made of a first electrically conductive material which is elastically deformable.
  • B 14223 GB 104 has a thickness value and an exposed surface 2.
  • a first organic film 4 having a thickness is present on the exposed surface 2 of the deformable zone 104 made of first material.
  • the thickness of the first film 4 is such that an elastic response of the deformable zone 104 does not change by more than 5% relative to a response of the zone 104 of the first material alone, or in that that the thickness of the first film 4 is less than ten times the thickness of the deformable zone 104.
  • the thickness of the first film 4 is such that the elastic response of the deformable zone 104 of the mechanical part 102, provided with the first film 4, does not change by more than 1% relative to the elastic response of the deformable zone 104 alone.
  • the first film 4 consists of a layer of a molecule of fixed length covalently bonded to the exposed surface 2 of the deformable zone 104 of the first material, and in a material which can be deposited from an electro reaction -initiée.
  • the coverage rate of the exposed surface 2 by the first film 4 is greater than 60% and preferably greater than 90%.
  • the mechanical part 102 has on its surface an annular zone 5, surrounding the exposed surface 2.
  • the annular zone 5 itself has a surface 6 and is made of a second conductive material electricity, different in the sense of the electro-initiated reaction of the first material of the mechanical part 102.
  • a second organic film 7 is present on the surface 6 of said annular zone 5.
  • This second film 7 is a film produced from a material that can be deposited from an electro-initiated chemical reaction.
  • FIG. 3c is a particular embodiment of the embodiment shown in FIG. 3b in which the first conductive material of the deformable zone 104 is a doped semiconductor.
  • the second conductive material of the annular zone 5 is the same semiconductor having a doping of opposite type to that of the first material. A diode junction is thus created between the second material of the annular zone 5 and the first material of the deformable zone 104.
  • FIG. 3d is a particular embodiment in which the electromechanical microstructure 1 comprises a group of first contact pads 8 in a position external to the annular zone 5.
  • the group of first pads 8 may not have as shown 3d figure only one stud 8.
  • the first contact pads 8 can be made of a third electrically conductive material, different in the sense of the electro-initiated reaction of the first material of the deformable zone 104 and the second material of the annular zone 5 or different from the only one of these first 104 or second materials 5.
  • a third organic film 10 is also present on the surface 9 of the first contact pads 8.
  • This third film 10 is made of a material which can be deposited from an electro reaction -initiée.
  • FIGS. 3e or 3f differ from each other in the fact that in one case the annular surface located under the second film 7 is made of a material 5 different from the first conductive material constituting the deformable zone 104 , while in the other case the second conductive material located under the second film 7 is made of a material 5 different from the first conductive material in that its doping is of a different type, for example n, from the doping of the first material, for example p, the first and second conductive materials being the same semi-conductors.
  • the electromechanical microstructure 1 comprises a second part 11 mechanically integral and electrically isolated from the first part 102.
  • the second part 11 comprises on the surface one or more second contact pads 12 made of a different material in the sense of the electro-initiated reaction of the material constituting the second part 11.
  • a fourth organic film 14 is present on the surface 13 of the second contact pads 12.
  • This fourth film 14 is a film produced from a material which can be obtained from 'an electro-initiated chemical reaction.
  • the electromechanical microstructure 1 has a third part 15, electrically isolated from the first part 102, made of an electrically conductive material.
  • the second part 11 and the third part 15 are electrically connected to each other for example by a connection 20.
  • a fourth organic film 14 is present on the surface 13
  • This fourth film 14 is made of a material which can be deposited from an electro-initiated reaction.
  • the example shown in Figure 3i corresponds to one of the cases shown and described with Figures 3a to 3h in which an electrode connection pad 19 is made in the part 102 in a conductive material different from the first material 102 and located outside the exposed surface 2 and the annular zone 5 if this is present.
  • the first material 102 may for example preferably be a doped semiconductor of a first type and the pad material 19 the same semiconductor of a type opposite to the first type.
  • the mechanical part 102 of the microstructure 1 is in the form of a layer of monocrystalline silicon, coming above an insulating layer 16, for example made of silica.
  • the second part 11 is also carried by this same layer of insulating material 16 so that the first 102 and second 11 parts are integral with this insulating layer 16.
  • the third part 15 is constituted by a layer of silicon on which said insulating layer 16 rests.
  • Said insulating layer 16 includes a recess 18 located immediately under the deformable zone 104. This recess 18 allows the deformable zone 104 monocrystalline silicon layer 102 to deform. This embodiment of the electromechanical microstructure 1 will be described in more detail below.
  • the electromechanical microstructure 1 according to the invention is' intended for medical or veterinary use
  • the first organic film 4 is made of a material such that the exposed surface 2 of the deformable zone 104 covered with this film 4 has functions of biocompatibility, non-cyto-toxicity and / or anti-adhesion or cell antiproliferation.
  • the second film 7 is a film having functions of biocompatibility and non-cyto-toxicity.
  • FIGS. 4a to 4f show the different ways in which one or more common electrodes electrically link together, depending on the case, identical parts of the microstructures 1.
  • the microstructures 1 are shown in cross section. and the path of the common electrodes is shown in top view.
  • Figures 4a to 4f has only two identical microstructures 1, but it should be understood that they normally have many more, which are not necessarily identical to each other.
  • the reference numbers have been divided between the two microstructures of each figure.
  • a first common electrode 106a electrically reads all the mechanical parts 102 produced between them.
  • the microstructures 1 may comprise, in addition to the deformable zone 104, as shown in FIG. 4a, an annular zone 5 on which a second film 7 is present and a contact pad 8, on which a third film 10 is present, as described in relationship to Figures 3.
  • the microstructures 1 are respectively the microstructures 1 shown in FIG. 3c and 3f.
  • the wafer 100 has a first common electrode 106b electrically connecting all the annular zones 5 together.
  • the polarity necessary to electro-initiate the first film 4 corresponds to the passing direction of the diode created by the doping in the direction of the annular zone 5 towards the mechanical part 102.
  • the first common electrode 106a electrically reads all the mechanical parts 102 together.
  • the polarity necessary to electro-initiate the second film 7 corresponds to the direction passing from the diode created by the doping in the direction of the mechanical part 102 towards the annular zone 5.
  • the microstructures 1 are identical to those shown in Figure 3f.
  • a first common electrode 106b electrically reads all the annular zones 5 therebetween.
  • the polarity necessary for electro-initiating the first 4 and third film 10 is identical and corresponds to the passing direction of the diode created by the
  • the microstructures 1 shown are identical to the microstructures of FIGS. 3 or 3f but additionally comprise a second part 11 mechanically integral and electrically isolated from the first part 102.
  • FIG. 4e only represents a microstructure identical to the microstructure of the FIG. 3e but which also comprises a second part 11.
  • the wafer 100 comprises a first common electrode 106a connecting together all the first mechanical parts 102. It also comprises a second common electrode 106c connecting together all the second parts 11.
  • the plates 100 include a set of microstructures 1 as described in relation to FIG. 3i produced on the surface of the plate by a collective process.
  • the plate 100 includes a first common electrode 106d electrically connecting all the electrode pads 19 to each other.
  • the polarity necessary for electro-initiating the organic films 4, 7, 10 corresponds to the passing direction of the diode created by the doping between the pads electrode 19 and mechanical parts 102.
  • FIG. 5 illustrates a particular example of implementation of the invention for electromechanical devices requiring a packing.
  • the substrate is a silicon wafer on which are micro-machined electromechanical microstructures 1 intended to be used to produce pressure sensors.
  • Figure 5 shows a single
  • the wafer 100 from which the microstructure 1 is made is an SOI (Silicon On Insulator) substrate composed of a lower part 15, covered with a layer of silica 16 and with a layer of monocrystalline silicon 102 increased by epitaxy, typically of micrometric thickness (upper part of the substrate called mechanical part 102).
  • SOI Silicon On Insulator
  • a layer of silica 16 and with a layer of monocrystalline silicon 102 increased by epitaxy, typically of micrometric thickness (upper part of the substrate called mechanical part 102).
  • Local etching by chemical means of the silica layer 16 makes it possible to produce a vacuum cell 18.
  • the sealing of the cell 18 after etching is ensured by means of a plug 21 closing an opening made in the silicon layer monocrystalline 102 for the etching of the "insulating layer 16.
  • the deformation of the membrane 104 results in a modification of a capacitance value measured between the two silicon planes 15 and 102 thanks to electrical contacts 22 and 25 produced by local deposition of gold, on the layer 15 and the layer 102 respectively
  • an interface layer typically based on titanium and nickel is used. doping can be carried out under the contact pads 22, 25.
  • a deposition of gold on silicon implies the use of an intermediate bonding layer and / or an over doping.
  • B 14223 GB metallization can also be carried out by any other known metallic deposit.
  • a lining in the form of a film 4 is deposited on the surface of the membrane 104.
  • coatings can in particular be produced whose properties can be adjusted.
  • HEMA hydroxyethyl methacrylate
  • MMA -methyl methacrylate
  • BMA butyl methacrylate
  • PEG-di-MA polyethylene glycol di-methacrylate
  • N-vinyl pyrrolidone N-vinyl pyrrolidone
  • the films obtained by electro-grafting are generally insulating, with a high grafting rate, but it is not uncommon to observe that electrical insulation, especially in solution, is all the more favored as the electro-polymer grafted is more hydrophobic.
  • a biocompatible coating 4 on the membrane 104 will make it possible to make the surface in contact with the biocompatible environment (exposed surface), the plug 21 being either a biocompatible material, or covered with a non-organic biocompatible material by microelectronic thin film deposition techniques.
  • the deformable zone 104 constituting the membrane is substantially circular.
  • the non-deformable part of the layer 102 rests on the silica layer 16.
  • a first protuberance 23 of the layer 102 descends along a gentle slope 318 created by micromachining towards the insulating layer 16.
  • a common electrode 106a as described in FIG. 1 or in FIGS. 4 making it possible to connect all of the pads 102 to a point common 108 at the periphery of the wafer is produced by a track 106a in gold running through the layer of silica 16 on the whole of the wafer 100.
  • the reference 24 designates a part of the track 106 traversing right through an electromechanical microstructure 1.
  • the track 24 is on each microstructure electrically connected to the layer 102 of this electromechanical microstructure 1 by a gold track 25 resting on the slope 318 created by micromachining of the epitaxial layer 102.
  • These layers are coated with a layer of passivation. Interconnection pads 26, 26a to an interconnection support 402 which will be described later are opened, according to a known method, in the passivation layer deposited on the Au metallization.
  • an electro-initiated reaction depend on the nature of the material of the conductive surface. Materials of a different nature are defined in the sense of an electro-initiated reaction as being materials which differ from one another by, at least for example, one of the following parameters: electronic output work in a vacuum , surface solvation by the electrolysis solvent, Br ⁇ nsted acidity in the electrolysis solvent.
  • the potential Vg [X / Au] necessary to initiate the electro-initiated reaction on gold is lower than that Vg [X / Si] on the silicon.
  • successive voltage cycles between the potential necessary to initiate the reaction and a higher potential where the reaction yield is optimized is carried out.
  • the functionalization of the silicon membrane from the saturation potential Vsat [X / Si] leads to a greater formation of polymers in solution because of the presence of the gold surface associated with a saturation potential Vsat [X / Au] inferior. This effect can be avoided by successively applying during a step I the potential Vsat [X / Au] until the gold ranges are saturated, then during a step II the potential Vsat [X / Si] for the functionalization of the membranes.
  • a first lining A is applied to the contacts by a potential Vsat [A / Au] allowing the grafting of the lining A on the gold contacts but not on the silicon membrane.
  • Vsat [X / Au] and Vsat [X / Si] are indeed greater than the typical width of the packing potential (which means that Vsat [X / Au] is less than Vg [X /Yes]) .
  • the lining A is not grafted onto the silicon zones for the potential Vsat [A / Au].
  • a second lining B is produced on the surface of the membranes by application of the appropriate potential Vsat [B / Si].
  • No packing B is produced on the surface of the zones having been functionalized by the packing A even if the potential Vs [B / Au] is lower than the potential applied.
  • the previously filled pads remain insensitive to the new treatment, in particular when their prior packing is insulating: by "insulating packing” is meant here a packing which prevents the resumption of a new electro-initiated reaction.
  • this new reaction is for example an electro-grafting reaction
  • the non-swelling of the first lining with a solvent for the new reaction (i) the insolubility of the monomer of the new reaction in the first lining; (iii) the maximum occupation (maximum grafting rate) of the sites of the conductive pad due to the first lining; are - independently -
  • B 14223 GB causes that can lead to isolation (in the electrochemical sense) of the already filled range.
  • a selective chemical treatment making it possible to remove the lining A without attacking the lining B is carried out, for example using a potential protocol adapted in a solvent specific to A.
  • the lining A is used as a molecular mask making it possible to temporarily protect the contacts of the membrane lining operation by the lining B.
  • the lining B being for example a film of Poly-HEMA, it is possible for example to mask certain zones beforehand with a film A of 4-nitro phenyl diazonium, this film possibly being then electro-erased by a very cathodic potential in water.
  • the use of different linings on certain conductive areas of the front face of the microstructure makes it possible to provide different additional functions, for example during a preconditioning step carried out collectively simultaneously on all the sensors, therefore before cutting the silicon substrate.
  • the microstructure can be used within a microsystem as described in [Miniature pressure acquisition microsystem for wireless in vivo measurements, Renard S. et al, presented at lsth annual international IEEE EMBS Special topic conference on microtechnologies in medicine and biology, October 12-14, in Lyon, France].
  • a microsystem 200 represented in FIG. 6 is produced by assembling: an electromechanical microstructure 1 forming the sensitive element of the sensor shown in plan view schematically in FIG. 6 part D, of an electronic circuit 400 of the ASIC type comprising in particular a capacity converter into digital signal and a coupler allowing remote power supply by magnetic field and wireless transmission of measurements.
  • FIG. 6 further comprises a part A representing a cross section of the microsystem 200 after assembly and a part B representing a top view before assembly of an interconnection support 402.
  • the ASIC 400 notably processes the data coming from microstructure 1 and forms an interface between microstructure 1 and the interconnection support 402.
  • the ASIC 400 and microstructure 1 are mounted on the interconnection support 402.
  • the support interconnection 402 includes a coupling antenna 403 coupled to the ASIC 400.
  • the microstructure 1 has for example the embodiment described in FIG. 5.
  • the interconnection support 402 comprises first connection pads 427 of the ASIC 400 and second connection pads 426 of the microstructure
  • the first 427 support connection pads
  • connection pads 26, 26a shown in figure
  • connection pads 427 ′ of ASIC 400 and those 26, 26a of microstructure 1 being mechanically and electrically connected for example by a method called "flip chip" to the first and second pads of the interconnection support 402 respectively, at means for example of balls inserted between the pads 427 ′, 26, 26a respectively of the ASIC 400 and of the microstructure 1 and those 427, 426 of the interconnection support 402.
  • Resins 406, 407 for mechanical reinforcement and external protection are
  • a through opening 405 of the interconnection support 402 is located opposite the membrane 104 lined with the first film 4.
  • the resin 406 while leaving free access to the membrane 104 through the opening 405, in particular provides a seal and electrical insulation between the membrane 104 provided with its film 4 and the rest of the microsystem 200.
  • a microsystem 200 as shown in FIG. 6 part A can be used autonomously for systems implanted for the punctual pressure monitoring, in particular in the medical field.
  • the interconnection support 402 is preferably made of biocompatible material (such as polyimide).
  • the interconnection support 402 can also be used to place the component 400 in a housing. The space requirement is particularly important for implanted systems, which excludes the use of conventional encapsulation methods.
  • a second type of functionalization therefore concerns the surface of the interconnection pads 26 electrically linked to the membrane 104 and 26a electrically linked to the lower silicon plane 15 (FIG. 5 part A).
  • a particularly suitable known method consists in mounting, as described above in relation to FIG. 6, the microstructure 1 after cutting "inverted front face" towards the interconnection support 402 (so-called “flip-chip” method) using balls fuses for electrical and mechanical interconnection. In that case,
  • the interconnection pads 26, 26a are open, according to a known method, in a passivation layer deposited on the Au metallization.
  • the beads can be obtained after annealing from a deposit made using different known techniques.
  • the support 402 also includes a window 405 opposite the membrane 104 of the microstructure 1 to allow direct contact to a medium to be characterized, contact necessary for the pressure measurement.
  • the insulation between the contacts and the medium, insulation necessary for the proper functioning of a sensor incorporating the microstructure 1, must be carried out by a seal (at the level of the annular zone surrounding the exposed surface).
  • This joint can be produced using known techniques as explained in relation to FIG. 6, making it possible to cause a resin 406 to diffuse by capillarity between the support 402 and the microstructure 1 (technique known as "underfill") coupled to the capillary effect. so that the resin does not cover the membrane 104 provided with the film 4.
  • selectivity coming from the material it is possible to use the selectivity coming from the material to have a first means of selectivity when the two pads to be trimmed are or can be electrically connected, for example by using a deposit of gold on the silicon surface as described more high.
  • Another means of selectivity can be used in the general case.
  • Selective addressing is used when it is necessary to graft different polymers on surfaces of the same chemical nature from the same common electrode.
  • This choice of a single common electrode can be a choice to simplify the electrode network when the component is produced collectively on a wafer or can be imposed by the manufacturing technology.
  • FIG. 7 illustrates an equivalent circuit of the configuration used in the case of two distinct families of pads using the same electrode. Part A of the figure represents the topology of the configuration.
  • Part B of FIG. 7 is an electrical modeling of part of the electrochemical circuit.
  • the potential V existing between a conductive pad 504 to be filled and the reference electrode depends on the current flowing in the addressing circuit.
  • FIG. 8 is the voltammogram associated with the configuration described in FIG. 7. It is established as a function of a voltage Vr measured by a voltmeter between the source and the reference electrode, not shown in the diagram, in a conventional assembly. with three electrodes (see Figure 1).
  • the voltammogram comprises two curves 600 and 602 respectively associated with the lining of the ranges of families 510 and 512 for a given lining.
  • the curve 600 is identical to that shown in FIG. 2 since the potential present on the range 502 is identical to that applied at the level of the source 506. This model does not take into account the existence of a possible resistance along the common electrode considered negligible according to the conditions described above.
  • the curve 602 is different because of the existence of the diode 508 between the range 504 and the source 516: the potential present on the range 504 is not that applied by the source 506.
  • the electrochemical reaction as described by the voltammogram of FIG. 2 can be modeled by a diode 518 of threshold Vs associated with a resistance in series Rg 520 making it possible to account for the slope of the voltammogram.
  • the diode 508 used as offset means can be modeled by a perfect diode 522 associated with a resistor 524 in parallel Rd allowing to account for the leakage currents.
  • the model assumes that the electrochemical current before the threshold Vs is less than the leakage current of the interleaved diode. If the diode is oriented in the blocking direction for the voltage polarity used, the threshold is considered to be infinite.
  • the growth of the potential Vr applied at the electrode 506 results in the appearance of a low leakage current through the resistor Rg making it possible to electrically charge the conductive pad 504: the potential V at the conductive pad 504 is equal to the potential Vr.
  • the potentials V and Vr reach the value Vs, there is the appearance of a first electrochemical current essentially coming from chemistry in solution. This current creates an offset between Vr and V coming from the
  • the potential V at the conductive range is therefore lower than the potential Vr applied by the source. This difference has the asymptotic value Vd which corresponds to the conduction threshold of the diode.
  • the new curve 602 is offset, and more precisely translated from a value ⁇ V to higher voltage values.
  • This offset is equal to Vd, conduction threshold of the diode, for currents greater than the leakage current of the diode. If the leakage current of the diode is less than the maximum electrochemical current before starting grafting, the grafting threshold Vg for the family 512 is offset by the value of the conduction threshold of the diode.
  • V different local triggering or not triggering the lining according to the choice of maximum polarization.
  • the threshold potential of the diode is chosen to be greater than the width of the trim potential of A over Au.
  • An applied voltage of maximum value Vsat [A / Au] will allow the padding of the first family of pads 510 but will not be sufficient for the padding of the second group of pads 512.
  • the packing thresholds Vg [B / Au] may be lower or higher than those of the first bath.
  • a lining of the conductive pads not yet filled can take place under the application of a maximum bias voltage Vsat [B / Au] + Vd, Vd being of finite value by the choice of the orientation of the diode.
  • Vsat [B / Au] + Vd being of finite value by the choice of the orientation of the diode.
  • FIG. 9 represents an exemplary embodiment of a microstructure 1 which can be used in a pressure sensor which can receive three different functionalizations on its surface. It is carried out like that described in FIG. 5 from an SOI substrate but includes additional functions allowing multiple functionalization. Three types of functions can be provided on the upper face of the microstructure by grafting polymers:
  • the contacts 8 and 12 allow the membrane 104 and the lower part 15 of the substrate to be electrically reached respectively (fixed part of the capacitor formed between the membrane 104 and the lower silicon layer 15).
  • the deformation is detected by measuring the variation in capacitance between these two contacts.
  • deformation pressure sensors such as piezoresistive sensors which could require the same type of functionalization.
  • the contact 12 is produced on a pad produced on the same silicon layer 102 as the membrane 104 but isolated from the latter by an etching 28 of the upper layer of silicon 102.
  • B 14223 GB insulating layer 16 on which the layer 102 rests makes it possible to ensure the connection between the lower silicon layer 15 and the pads 12 by simple metallization of a track 20 on the surface.
  • An electrode 106c at the level of the lower layer 15 of the substrate makes it possible to address all of the contacts 12.
  • the upper part 102 of the microstructure 1 is of p type.
  • a local implantation 5 of type n is carried out on the surface of the layer 102.
  • This implantation 5 covers an inclined face 318 produced as described in relation to FIG. 5, located diametrically opposite the plane 710 relative to the membrane 104, and covers an annular zone of the layer 102 surrounding said membrane 104.
  • the implantation 5 around the membrane 104 defines an annular zone for producing a seal on its surface.
  • a common electrode 106b produced by evaporation of a gold layer on the insulating layer 16 of silica electrically and mechanically separating the conductive layers of silicon 102 and 15 makes it possible to electrically connect all of the implantations 5 to a common source of polarization.
  • the common electrode 106b makes it possible to address the implantation 5 via a gold contact 29 covering a part of the inclined plane 318 and, via a diode produced from the junction np , the silicon surface of the membrane 104 and finally the gold contact 8 through the diode and the layer 102.
  • the junction np is a pass-through diode for negative polarizations. The inversion of dopings would make it possible to obtain a diode passing in the opposite direction.
  • FIG. 10 describes on a voltammogram the cycles carried out to supply the various linings to the microstructure as described in FIG. 9.
  • Curve 800 describes the voltammogram for grafting X onto the contact pad 8. It is associated with potentials Vg (X / Au) and Vsat (X / Au) offset from the threshold voltage Vd of the diode, ie Vg (X / Au) + Vd and Vsat (X / Au) + Vd noted 801 on the curve.
  • Curve 802 describes the voltammogram for grafting X on the annular zone 5 to form the seal in the form of the second film 7.
  • This grafting is associated with the potentials Vg (X / Si) and Vsat (X / Si) noted 803 on the curve.
  • Curve 804 describes the voltammogram for grafting X onto membrane 104. It is associated with potentials Vg (X / Si) and Vsat (X / Si), offset by the threshold of the diode, ie Vg (X / Si ) + Vd and Vsat (X / Si) + Vd noted 805 on the curve.
  • the first lining A in the form of a film 10 is produced on all of the contact pads 8 by polarizing the common electrode 106b at the potential 801 Vsat (A / Au) + Vd. This potential is not sufficient to trigger the lining by A of the zones implanted in silicon because V (X / Au) + Vd is less than V (X / Si).
  • the linings of the silicon membranes 104 are also out of reach all the more because of the presence of the diode.
  • the second lining B is produced on all of the implanted zones 5 in the form of a film 7 forming seals 7 by bringing the common electrode 106b to the potential 803 Vsat (B / Si).
  • the membrane 104 is not filled because of the presence of the diode.
  • the contact pad 8 is not affected by the operation because it has been saturated by the gasket A.
  • the third lining C in the form of the first film 4 is produced on all of the membranes 104 by bringing the common electrode 106b to the potential 805 Vsat (C / Si) + Vd corresponding to the potential necessary for the lining C on the increased silicon of the threshold of the diode mentioned above.
  • the annular zone 5 as well as the contact pads 8 are not affected by the operation.
  • the other common electrode 106c is maintained at zero potential.
  • the lining of the contacts 12 is made separately from a lining A. It can also be carried out simultaneously with the deposition of the first lining A using an additional source making it possible to bring the second common electrode 106c to the potential Vsat (A / Au) .
  • the polarity of the generator is determined by the nature of the monomers in solution. It is this which determines the choice of the orientation of the diode 508 (FIG. 7) formed by the junction np so that it is polarized in the passing direction so that an electrochemical current can flow once the conduction threshold of the diode 508 is crossed. It is therefore
  • the lining A corresponds for example to a layer of PBMA doped with silver salts, approximately 0.5 ⁇ m thick.
  • the lining B corresponds for example to a layer of Poly Butyl MethAcrylate (PBMA).
  • PBMA Poly Butyl MethAcrylate
  • the lining C corresponds for example to a layer of poly- (PEG-dimethacrylate) approximately 0.5 ⁇ m thick.
  • the conductive annular zone 5 around the membrane 104 by depositing a different layer of another electrically conductive material (such as copper) , in the sense of an electro-initiated reaction, gold and silicon used for the contacts 8 and the membrane 104 respectively, in order to selectively obtain the three different functionalizations.
  • another electrically conductive material such as copper
  • this test can only be done if the upper layers 102 of the microstructures 1 are electrically isolated from each other, the lower parts 15 being by construction connected together on a wafer 100.
  • connection of the different upper layers 102 of the microstructures 1 to the common electrode 106b is made via the pad called the electrode pad
  • the diode thus created is chosen so as to be conducting during the various lining operations.
  • the configuration of FIG. 9 has this property directly, the pad 29 being able to be considered as an electrode pad.
  • an electrical configuration is used which makes it possible to maintain between the common electrode 106b for the configuration in FIG. 9 and the membranes 104 a reverse voltage making it possible to block the diodes. Blocking the diodes then has the effect of electrically isolating the various membranes 104 from one structure to another.
  • test of the different microstructures 1 present on the wafer 100 is carried out from an external measurement circuit comprising different measurement or supply points intended to be connected to the contacts 8 and 12 each connected respectively to an armature a
  • the contact 8 is connected to the reinforcement 102 and the contact 12 to the reinforcement formed by the layer part 15 opposite the layer 102.
  • the voltages are measured by compared to a reference chosen in the external circuit.
  • the locations can therefore be used even on the configuration of the microstructure described in FIG. 5 or when, more generally, only the selectivity by the materials is used, to allow the testing of the microstructures before cutting the wafer.
  • FIG. 11 describes an interconnection substrate 402 which can be used for the individual mechanical and electrical assembly of a microstructure 1 as described in FIG. 9.
  • Part A represents a cross section of the support and part B a top view.
  • B 14223 GB corresponds to a support functionally identical to the support used to produce a pressure measurement microsystem as described in FIG. 6.
  • This support is produced collectively on an n 900 type silicon wafer making it possible to guarantee a typical minimum conductivity of 10 ⁇ .cm.
  • This plate can be thinned using known techniques, which makes it possible to obtain a typical thickness of less than 100 ⁇ m.
  • the antenna 902 is produced by depositing a layer of gold isolated from the main substrate 900 by a layer of silica 904.
  • Four contact pads 906 are used to connect an ASIC 400 for example as described in FIG. 6.
  • the pads 908 are used for the electrical connection with the pads 8, 12 of the microstructure 1 as shown in FIG. 9.
  • pads 908, 906 are produced on local implantations 910 of p type also tracing the electrical tracks of the support 402.
  • a contact 916 is directly connected to the substrate 900 without intermediate doping.
  • the support comprises a circular recess 405 obtained by machining.
  • the conductive substrate 900 is used as a common electrode.
  • the underside of the substrate 900 comprises a metal deposit 918 making it possible to homogenize the resistance of the common electrode if the conductivity of the substrate 900 is not sufficient.
  • the functionalization of the support 402 by electrografting takes place at least in three stages to deposit the linings A 'and B' complementary to those used for the microstructure 1 shown in FIG. 9.
  • the applied potential makes it possible to functionalize the pad 916 with a lining A '.
  • the undoped part of the top face of the substrate 900 is not affected since the silicon requires a higher potential.
  • the doped part 910 and the contacts 906 and 908 are further protected by the diode between the substrate 900 and the implanted part 910.
  • a lining A ' is produced on the contacts 908 and 916. This step requires a potential higher because of the diode.
  • the undoped part of the top face of the substrate 900 is not affected since the grafting on silicon requires a higher potential than the grafting potential on gold increased by the offset of the diode.
  • the potential applied makes it possible to functionalize the rest of the top face of the substrate 900 with a lining B '.
  • the doped part 910 and the contacts 906 and 908 are protected by the diode.
  • the orientation of the diodes is determined by the polarity of the lining A '. In our example, this polarity is negative.
  • the pad 916 is used to positively bias the substrate in the example given from a voltage supplied by the ASIC 400.
  • This voltage for example the maximum supply voltage used in the electronic component 400 for biasing the transistors , ensures electrical insulation between the different contacts 906 and 908 by
  • the ASIC 400 can also, when the compatibility of the technologies allows, be directly performed on the layer 900 of the support 402 to avoid additional interconnection.
  • FIG. 12 is a schematic section of a microsystem 200 produced by the assembly of a support 402 as described in FIG. 11 after functionalization with a microstructure 1 as described in FIG. 9 after functionalization and a conventional electronic component 400 assembled by wire-bounding.
  • the ASIC 400 is connected to the support 402 by heat-sealed 1010 gold wires (conventional wire-bounding) as shown in the figure. This operation can also be carried out by conventional flip-chip.
  • the microstructure 1 is assembled on the support 402 by slight compression and heating to allow the thermofusion of the facing linings. The assembly is done via the linings 10, 14 of the contacts 8, 12 respectively of the microstructure 1 and the corresponding linings of the support deposited on the pads 908. This makes it possible to establish the electrical contacts at 1006.
  • the assembly is also done via the lining 7 of the annular zone 5 of the microstructure 1 and the corresponding lining of the substrate 900 of the support 402 around
  • FIG. 13 describes another approach which is based on known technologies of "chip size package". These technologies use an intermediate plate 1100 bonded to an active plate 1102 comprising the ASICs 400 by wafer-bounding to provide a new layer of interface with the outside. The first known objective of using such a technique is to transform contact pads 1104 of small size into standard pads 1110 and to provide an integrated housing. Various known solutions exist for performing this type of component. Reference 7 describes for example how to collectively produce the silicon cover 1100 above the component 1102 by referring
  • the common electrode is produced by the substrate 1100 and local implantations 1108 provide insulation between contacts 1110 when the substrate is brought to the appropriate potential via contact 1112. For reasons of temperature resistance, it is preferable to carry out the treatment after assembly of the two plates 1102 and 1100.
  • the advantage of this implementation is then to provide an alternative solution for the ASIC ' 400 to assembly by fusible balls, of easy implementation (low assembly temperature, no problem of cleaning the surface after the operation, in particular to eliminate the flux present in the fusible balls, etc.) and making it possible to increase the contact density.
  • Figure 14 is a schematic cross section of a microsysteme 200 produced by the assembly of an interconnection support 402, as described in Figure 11, after functionalization, with a microstructure 1, as described in Figure 9 , after functionalization, and an ASIC 400 as described in FIG. 13, after functionalization.
  • the assembly of the microstructure 1 on the interconnection support 402 is identical to what has
  • the assembly of the ASIC 400 as shown in FIG. 13 is carried out by means of packing deposited on the pads 1110 of the ASIC 400 and of packing deposited on the pads 906 of the support. 402 arranged opposite one another.
  • the lining respectively of the pads of the ASIC 400 and the pads of the support 402 are of type A and A ', conductive hot-melt.

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Abstract

Microstructure électromécanique (1) comprenant une première partie appelée partie mécanique (102) réalisée dans un premier matériau conducteur de l'électricité, et qui comprend d'une part une zone déformable de manière élastique (104) ayant une valeur d'épaisseur et une surface exposée (2), et d'autre part un premier film organique (4) ayant une épaisseur, présent sur l'ensemble de la surface exposée (2) de la dite zone déformable (104), caractérisé en ce que l'épaisseur du premier film (4) est telle que la réponse élastique de la zone déformable (104) munie du premier film (4) ne change pas de plus de 5 % par rapport à la réponse de la zone déformable nue (104) ou en ce que l'épaisseur du premier film (4) est inférieure à dix fois l'épaisseur de la zone déformable (104). Application à la fabrication de microstructures électromécaniques.

Description

MICROSTRUCTURE A SURFACE FONCTIONNALISEE PAR DEPOT LOCALISE D'UNE COUCHE MINCE ET PROCEDE DE FABRICATION
ASSOCIE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention se situe dans le domaine des microcomposants comportant une microstructure électromécanique réalisée par micro-usinage et une fonctionnalisation apportée par une couche organique réalisée en surface. L'invention se situe en particulier dans le domaine des capteurs.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE La présente invention s'applique aux microstructures électromécaniques, réalisées par microusinage selon les techniques MEMs (MicroElectroMechanical Systems) connues basées sur l'utilisation de masques successifs pour effectuer des opérations localisées de micro-usinage chimique ou mécanique. Ces microstructures, lorsqu'elles comportent un élément mécanique se déformant de manière élastique sous l'effet d'une force, associé à des moyens de mesure du déplacement, peuvent par exemple servir de capteur de force : capteur de pression, capteur d'accélération, capteur de contact, jauge de contrainte, ... .
L'utilisation en particulier de structures micro-usinées sur silicium mono-cristallin permet d'obtenir des éléments ayant de très hautes performances mécaniques (absence d'hystérésis, réponse
B 14223 GB purement élastique sans déformation plastique) pour des encombrements très réduits (de l'ordre du millimètre).
Il est souvent nécessaire d'apporter des fonctions supplémentaires à ces structures à partir de couches minces déposées de manière locale en surface.
A titre d'illustration, les microstructures électromécaniques fabriquées par micro-usinage de silicium sont utilisées pour des capteurs de pression miniatures pouvant être utilisés in vivo dans le domaine médical, en particulier lorsqu'elles sont intégrées au sein de microsystèmes (composant intégrant des fonctions de mesure, de traitement du signal et de communication) . Les techniques classiques d' encapsulation des capteurs de pression, comme par exemple l' encapsulation à. l'intérieur d'une cellule étanche déformable remplies d'un bain d'huile, ne sont pas adaptées à ces microstructures quand la taille finale du composant est un paramètre critique. Les capteurs de pression peuvent être utilisés, comme les capteurs chimiques, avec la partie sensible du capteur - une membrane - en contact direct avec le milieu à caractériser .
Il peut donc être nécessaire de fonctionnaliser cette partie du capteur pour lui conférer des propriétés particulières vis-à-vis de son environnement .
Ceci est un exemple d'une fonction particulière qui peut être ajoutée à une microstructure électromécanique à partir de dépôts localisés en couche mince. De manière plus générale mais non exhaustive, les fonctionnalisations suivantes peuvent être apportées à ce type de composants. On peut citer :
B 14223 GB - la protection d'une zone en contact avec l'extérieur vis à vis de son environnement,
- la modification des propriétés chimiques d'une zone en contact avec l'extérieur pour la rendre compatible avec son environnement (biocompatibilité, lubrification pour faciliter la mise en place, absence de dégradation ...) ,
- la préparation de l'assemblage mécanique du composant (assemblage de puces entre elles, assemblage de puces sur substrats) ,
- la préparation de l'interconnexion électrique avec un autre composant (contact électrique entre puces, contact électrique entre puces et substrats) .
Problème général de pré-conditionnement
L'objectif de l'étape de pré -conditionnement est de manière générale d'obtenir une fonctionnalisation de la surface des microstructures permettant de faciliter les étapes suivantes de conditionnement. Lorsque cette étape est collective, elle permet de diminuer le coût final du composant . La qualité d'un procédé de pré-conditionnement se juge, au delà de son coût, par la simplification qu'il permet des étapes suivantes de conditionnement. II existe aujourd'hui différentes méthodes connues de pré-conditionnement permettant d'apporter différentes fonctions à ce type de microstructures ou composants, en particulier lorsqu'ils sont appelés à être assemblés de manière compacte au sein d'un micro-système.
B 14223 GB Fonctionnalisation de la membrane
Pour apporter des propriétés particulières à l'élément sensible d'une microstructure électromécanique à partir du dépôt d'une couche mince, on connaît la fonctionnalisation de la membrane d'un capteur à partir d'une couche mince réalisée en phase liquide par trempage ou par centrifugation. Ces techniques peuvent par exemple être utilisées pour le dépôt de silicones (de type PDMS par exemple) pour des capteurs de pression utilisés in vivo pour des applications médicales [Development of a completely encapsulated intraocular pressure sensor, Walter P. et al, Ophthalmic Research (2000), 32, p 278-284] .
On connaît également le dépôt en phase vapeur par plasma (CVD) d'une couche d'un polymère. On sait par exemple déposer par cette technique un polymère particulier, le parylène, connu pour ses propriétés de biocompatibilité [Microfluidic plastic capillaries on silicon substrates : a new inexpensive technology for bioanalysis chips, P. F. Man et al, présenté à la conférence MEMS 1997, Jan. 26-30 1997, Nagoya, Japan] .
Ces techniques sont difficilement compatibles avec un cahier des charges imposé à la microstructure, en particulier lorsque celle-ci est utilisée pour réaliser un capteur de haute précision devant être utilisé sur de longues périodes sans calibration.
Ces techniques rendent difficiles le contrôle précis de l'épaisseur réalisée et de l'homogénéité du dépôt pour de faibles épaisseurs. De plus, la liaison entre la couche et la surface à fonctionnaliser n'étant pas une liaison covalente, les qualités fonctionnelles de la couche ne sont garanties que pour des épaisseurs
B 14223 GB significatives. En conséquence il est difficile de garantir à partir de ces techniques connues une couche fonctionnelle ne changeant pas les performances mécaniques de la microstructure, en particulier si l'élément mécanique est réalisé en silicium monocristallin ayant des épaisseurs inférieures à la dizaine de microns.
Par exemple, les couches réalisées par dépôt d'un film parylène par plasma sont reconnues comme uniformes, sans perforations, avec une faible perméabilité à la moisissure et de bonnes propriétés diélectriques pour des épaisseurs supérieures à 10 microns et il est difficile de contrôler une épaisseur à mieux que quelques microns. Pour des structures dont la membrane est d'une épaisseur typique de quelques microns, un film d'épaisseur supérieure à 5 μm divise la sensibilité du capteur d'un facteur supérieur à 2. Il est de plus reconnu que l'adhérence des films parylène est de qualité médiocre. Les couches réalisées par dépôt de silicones sont excellentes pour une protection à court terme mais se dégradent rapidement dans le temps. Le problème des bulles d'air qui sont piégées dans la couche est à l'origine de défauts d'adhérence qui se propagent dans le temps.
Il est à noter qu' il est également difficile d'utiliser ces techniques pour réaliser des dépôts sélectifs de manière collective sans recourir à la mise en place de masques mécaniques complexes et coûteux. On connaît pour répondre aux problèmes d'adhérence des couches et d'efficacité à faible épaisseur, des techniques de laboratoire reposant sur
B 14223 GB la fonctionnalisation d'une surface à partir de liaisons covalentes : monocouches auto-assemblées par trempage ou par impression par micro-contact [Delamarche E., Michel B., Gerber Ch. , Langmuir (1994), 10, p 2869 et Kumar A., Whitesides G. M., Applied Physics Letters (2002), 63, p 1993]. Ces techniques sont restreintes à quelques couples matériau de la couche - matériau de la surface (même s'ils peuvent parfois servir de primaire pour l'accrochage d'autres matériaux moléculaires) comme par exemple des thiols sur de l'or, des silanes sur de la silice ou plus généralement des couches d'oxydes. Bien que connus, les problèmes liés à leur mise en œuvre font qu'ils sont peu utilisés industriellement. De manière générale, les techniques existantes limitent le choix des propriétés des matériaux pouvant être utilisés et rendent difficile le dépôt sélectif et le contrôle de l'épaisseur.
Préparation de l'interconnexion électrique
Pour réaliser l'interconnexion électrique entre la microstructure et un substrat ou un autre composant, on connaît la technique de report de puces (technique dite de "flip-chip" ) . L'interconnexion électrique et mécanique est effectuée au moyen de bossages de matériau fusible conducteur réalisés sur les plots de connexion de la microstructure et soudés par un traitement thermique aux plots de connexion du substrat de report disposé en regard. Le pré-conditionnement connu associé à cette méthode de micro-packaging comporte la préparation des bossages à partir de différentes méthodes : collectives
B 14223 GB par électrodéposition, évaporâtion, sérigraphie, ... ou individuelles par stamping, dispensing, ..., à partir de différents matériaux (matériau fusible avec ou sans plomb, polymère fusible, ...) . Les techniques connues sont satisfaisantes sur l'aspect d'épaisseur de la couche qui n'est pas critique pour cette fonctionnalisation mais la liaison mécanique assurée par le bossage doit être fiabilisee lors du conditionnement dans la plupart des applications car les différentes méthodes de dépôt utilisées n'assurent pas une bonne liaison mécanique entre le substrat et le bossage . De plus ces techniques mises au point pour les composants électroniques sont moins bien adaptées aux microstructures quand leur plot de contact est de taille inférieure à la centaine de microns .
La fiabilité de l'interconnexion mécanique peut être améliorée par application d'un matériau de remplissage diélectrique, ou "underfill", entre la puce et le substrat qui permet d'encaisser la différence de coefficients de dilatation thermique de la puce et du substrat .
Cette méthode utilise une étape supplémentaire après le pré-conditionnement intervenant après le report donc non collective et est difficile à mettre en œuvre pour des microstructures de faible taille et possédant sur la même face des plots de connexion et une surface sensible (capteur) .
Il existe pour répondre à ce problème, par exemple (WO 0057467), des solutions qui permettent d'appliquer lors du pré-conditionnement le matériau de remplissage sur toute la surface d'une plaquette de
B 14223 GB puces avant sa dissociation en réalisant une enduction sélective d'un matériau adhésif excluant les zones des plots de contact de chaque puce. L' enduction sélective peut être réalisée, avant ou après formation de bossages sur les plots de contact, par sérigraphie ou par jet de matière. L'étape délicate de remplissage par capillarité de 1 ' interstice situé entre la puce et le substrat de façon individuelle après le report de la puce est ainsi évitée. II existe également (US6137183), des solutions de pré-conditionnement consistant à appliquer sur toute la surface d'une plaquette de puces avant leur dissociation une colle conductrice anisotrope, en film ou en pâte. De cette façon, on réalise les interconnexions électriques et mécaniques en une unique étape .
Les méthodes décrites ci-dessus permettent uniquement de préparer les composants aux étapes d'assemblage mécanique et électrique. Elles doivent donc être associées à une méthode différente pour réaliser les opérations de protection ou de fonctionnalisation des parties mécaniques. EXPOSÉ DE L'INVENTION
Il existe donc un besoin pour des microstructures comportant en surface des fonctionnalisations réalisées à partir d'un dépôt local de matériau en couche mince. Ces microstructures étant réalisées de manière collective sur une plaquette, il existe un besoin pour des plaquettes adaptées au traitement collectif de ces composants.
La présente invention concerne une microstructure électro-mécanique réalisée en général,
B 14223 GB de façon collective, par micro-usinage sur laquelle sont ajoutées une ou plusieurs fonctions apportées par le dépôt localisé d'une couche mince. La couche mince déposée présente de bonnes qualités d'adhérence à la surface de dépôt, la liaison étant une liaison covalente. Les épaisseurs de matière apportée et leur homogénéité sont bien contrôlées. Il devient ainsi possible de garantir une bonne reproductibilité et des performances stables dans le temps . Contrairement à l'art antérieur, tous les avantages apportés sont apportés simultanément sans que l'un soit obtenu au détriment de l'autre.
La présente invention concerne également une plaquette permettant la fonctionnalisation collective de microstructures ou puces électromécaniques ou électroniques et de substrats avant les étapes de micropackaging, packaging ou assemblage effectuées lors du conditionnement. On entend par puce un élément miniaturisé fabriqué de façon collective (par lof^ par exemple avec les technologies connues de l'électronique et/ou de la micro électronique.
La plaquette permet de manière plus générale la fonctionnalisation collective de composants électroniques ou électro-mécaniques à partir d'une technique de dépôt localisé d'une couche mince. Les plaquettes selon l'invention sont particulièrement adaptées au pré-conditionnement collectif de composants avant leur assemblage au sein de microsystèmes .
La plaquette décrite ici, permet de pré- conditionner une puce de façon collective (donc à faible coût unitaire) , dans un encombrement extrêmement réduit (sensiblement de la taille du motif la puce) . Il
B 14223 GB permet d'apporter de multiples fonctionnalités à la puce par l'utilisation d'une technique générique permettant de faciliter globalement les problèmes d' encapsulation et d'interconnexion. Elle n'impose pas de restriction sur la taille des composants et des surfaces a traiter. Le pré conditionnement des puces ou microstructures de la plaquette dégrade de façon négligeable les performances de chaque puce ou microstructure par rapport à leurs performances avant pré-conditionnement .
L'invention a pour but de proposer une microstructure électromécanique de haute précision à déformation élastique comportant des fonctions apportées par dépôt électrochimique localisé d'une couche mince organique en surface de la partie élastique. L'utilisation de couches organiques peut potentiellement fournir un choix important de fonctions issues de la chimie organique.
Un but de l'invention est également de proposer une telle microstructure qui peut comporter différentes fonctions apportées par des films organiques, y compris hors de la partie élastique sans dégradation sensible des qualités intrinsèques du composant.
L'invention a finalement pour but de proposer un microcomposant réalisé à partir d'une microstructure assemblée sur un support.
Pour atteindre ces buts, l'invention a plus précisément pour objet une microstructure électromécanique comprenant une première partie appelée partie mécanique réalisée dans un premier matériau conducteur de l'électricité, et qui comprend d'une part une zone déformable de manière élastique ayant une
B 14223 GB valeur d'épaisseur et une surface exposée, et d'autre part un premier film organique ayant une épaisseur, présent sur l'ensemble de la surface exposée de la dite zone déformable, caractérisé en ce que l'épaisseur du premier film est telle que la réponse élastique de la zone déformable munie du premier film ne change pas de plus de 5% par rapport à la réponse de la zone déformable nue ou en ce que l'épaisseur du premier film est inférieure à dix fois l'épaisseur de la zone déformable.
Une épaisseur du premier film peut être choisie pour ne pas modifier la réponse élastique de la zone déformable munie du premier film ou pour ne pas modifier la stabilité dans le temps de la réponse élastique de la zone déformable munie du premier film. Ce choix doit tenir compte de la qualité souhaitée pour la zone déformable munie du premier film, de l'effet mécanique du film et des fluctuations dans le temps qui lui sont associées. Cela conduit à limiter la modification provenant du film à des valeurs inférieures respectivement à 1% ou 5%.
Ces conditions peuvent également se traduire en terme d'épaisseur du film qui ne doit pas dépasser dix fois l'épaisseur de la zone déformable élastique en premier matériau pour les films les plus souples à deux fois pour les films d'élasticité intermédiaire.
Le film organique est lié de manière covalente à la surface de la zone déformable pour obtenir une forte adhésion et garantir sa fonctionnalité dès les faibles épaisseurs.
Le film organique est préférentiellement réalisé à partir d'une réaction chimique électro-
B 14223 GB initiée permettant 1 ' électro-greffage de monomères sur la surface conductrice, initiant l'accrochage ou la croissance d'une molécule organique isolante de longueur donnée. Cette technique permet de garantir à la fois la localisation spatiale du film et de contrôler son épaisseur. Les films sont préférentiellement réalisées avec un taux de couverture élevé rendant les couches homogènes et denses.
Ce premier film peut apporter simultanément différents types de fonctions à la surface de la zone déformable, comme une protection chimique de la surface ou une fonctionnalisation garantissant différentes propriétés chimiques.
Dans une réalisation particulière, la microstructure comporte différents films organiques sur différentes parties, y compris sur des parties non élastiques. Ces films organiques peuvent combiner différentes propriétés, comme conducteur ou isolant, lubrifiant, adhésif - permettant de faciliter le conditionnement de la microstructure.
L'invention peut être appliquée à la réalisation d'un capteur comprenant une microstructure électromécanique micro-usinée sur semi -conducteur. Ce capteur peut par exemple être un capteur de pression, un capteur tactile ou une jauge de contrainte.
L'apport de fonctions de non cyto-toxicité et d' anti-adhésion cellulaire à la surface de la zone déformable du capteur permet par exemple son utilisation dans le domaine biomédical. La fonctionnalisation de la surface des contacts électriques avec un revêtement adhésif ou thermofusible permet un assemblage électrique et
B 14223 GB mécanique de la microstructure électromécanique sur un support. La réalisation d'un joint d'étanchéité avec un revêtement biocompatible, adhésif ou thermofusible permet l'isolation d'une partie électrique par rapport à une partie mécanique de la microstructure.
L'invention a également pour objet la plaquette comportant un ensemble de microstructures réalisées, de préférence, par un procédé collectif, la plaquette permettant ainsi la fonctionnalisation simultanée d'un ensemble de plages identiques des microstructures. Ces plages identiques définissent une famille de plages à fonctionnaliser, une plaquette pouvant comporter différentes familles.
Dans un premier mode de réalisation, cette plaquette comporte une électrode commune différente pour chaque famille, cette électrode reliant électriquement toutes les plages appartenant à cette famille de plages.
Dans un second mode de réalisation, une même électrode commune est utilisée pour plusieurs familles, chaque famille étant de plus caractérisée par une surface conductrice nue (avant sa garniture) de nature chimique différente au sens de 1 ' électro-greffâge .
Dans un troisième mode de réalisation, l'électrode commune est connectée aux différentes plages d'une même famille via des impédances caractérisant une famille considérée. Ces impédances sont des diodes caractérisées par un seuil de conduction, un seuil de conduction nulle étant par convention attribué à un court-circuit. Une diode peut être utilisée pour relier l'électrode commune à une ou plusieurs plages.
B 14223 GB Les diodes sont orientées de manière à permettre le passage du courant électrochimique lors de la réalisation de film organique sur les plages de la famille considérée. La diode est réalisée de manière à ce que son courant de fuite avant le seuil soit inférieur au courant électrochimique résiduel avant la formation de du film organique. Dans un mode de réalisation particulier, chaque plage d'une famille est associée soit à une unique diode, soit de façon biunivoque à une diode de chaque microstructure.
Ces modes de réalisation, électrode commune unique, électrode commune pour des familles caractérisées par la nature chimique de la surface, électrode commune pour des familles caractérisées par les diodes utilisées, peuvent être combinés au sein d'une même plaquette. En particulier une électrode commune peut être utilisée pour des familles caractérisées de manière croisée à la fois par la nature chimique de leur surface et par les diodes utilisées.
Dans un mode particulier de l'invention, l'électrode commune peut être associée à des diodes permettant un adressage simultané des plages d'une même famille, chaque plage d'une microstructure étant reliée à l'électrode commune via une diode permettant de tester séparément les microstructures avant découpage de la plaquette.
L'électrode commune peut être réalisée par métallisation à la surface de la plaquette. Les diodes peuvent être réalisées par implantation locale permettant de créer des jonctions à semi -conducteurs de type np ou pn .
B 14223 GB Dans un mode préférentiel, le report de l'ensemble des contacts électriques sur une même surface plane de référence permet l'assemblage sur un support plan. Dans ce mode de réalisation, le report des contacts sur des couches inférieures peut être réalisé via des métallisations sur des pans inclinés micro-usinés . Dans le cas d'une microstructure réalisée à partir du micro-usinage de surface d'une plaquette de SOI, la surface plane de référence peut être la surface épitaxiée.
La microstructure, selon des modes de réalisation de l'invention, peut être interconnectée à un support dit d'interconnexion réalisé sur semiconducteur comportant des pistes et différentes familles de plots d'interconnexion électrique, dont l'une des familles au moins comporte un revêtement adhésif réalisé par greffage électro-initié.
Les motifs du support d'interconnexion (plots, pistes, joint d'étanchéité) sont réalisés en utilisant la sélectivité par les matériaux ou par des diodes réalisées par dopage local. Ce dopage local est également utilisé pour la réalisation des pistes du support, une polarisation appropriée permettant de garantir l'isolation entre pistes. Dans ce mode de réalisation, le substrat semi -conducteur du support peut être utilisé comme l'électrode commune.
La microstructure, selon des modes de réalisation de l'invention, peut être interconnectée à un support dit d'interconnexion lui-même comprenant un composant électronique fabriqué à partir de l'assemblage d'une partie électronique active et d'un capot fonctionnalisable réalisé en partie comme le
B 14223 GB support d'interconnexion. Ce dernier assemblage peut être réalisé au niveau des plaquettes par des méthodes connues (wafer bounding et report de contact) . De préférence, la fonctionnalisation par électrochimie du capot se fait après l'assemblage.
L'invention peut être utilisée pour réaliser un microsystème comportant une ou plusieurs microstructures telles que décrites ci-dessus, assemblées sur un support d' interconnexion silicium dont l'une au moins des microstructures est assemblé par utilisation d'un revêtement adhésif. Dans le cas d'un capteur, le support d'interconnexion possède une ouverture disposée en regard de la surface sensible (en contact avec l'environnement) du capteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés. Cette description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 est une représentation schématique d'une plaquette de silicium comportant un ensemble de capteurs micro-usinés et d'un circuit électrochimique de garniture . La figure 2 est un diagramme indiquant, en fonction d'une tension de polarisation appliquée à une plage conductrice, le courant électrochimique traversant un circuit électrochimique de greffage.
Les figures 3a à 3i représentent de façon schématique des coupes transversales d'exemple de microstructures selon l'invention.
B 14223 GB Les figures 4a à 4f représentent différents modes de réalisation de plaquette comportant des microstructures selon l'invention.
La figure 5 est une représentation schématique d'une réalisation particulière d'une microstructure permettant de réaliser un capteur de pression conforme à l'invention comprenant une membrane fonctionnalisée. Elle comporte une partie A représentant une coupe transversale de la microstructure et une partie B représentant une vue de dessus.
La figure 6 est une représentation schématique d'un microsysteme réalisé à partir de l'assemblage sur un support d'interconnexion, d'une microstructure selon l'invention, d'un composant électronique dédié (ASIC) . Elle comporte une partie A représentant une coupe transversale du microsystème après assemblage, une partie B représentant une vue de dessus avant assemblage du support d'interconnexion, et des partie C et D représentant schématiquement une vue de dessus avant assemblage du circuit intégré et de la microstructure respectivement .
La figure 7 est une modélisation de la configuration permettant la fonctionnalisation sélective de deux familles de plages reliées électriquement. Elle comporte une partie A représentant de façon schématique, la topologie de la configuration et une partie B représentant une modélisation électrique de la partie en solution du circuit électrochimique . La figure 8 indique les modifications du diagramme de la figure 2 pour le circuit électrochimique modélisé figure 7.
B 14223 GB La figure 9 est une représentation schématique d'une réalisation particulière d'une microstructure conforme à l'invention permettant de réaliser un capteur de pression comprenant une membrane fonctionnalisée, des contacts électriques recouverts d'un film organique et un joint d'étanchéité. Elle comporte une partie A représentant une coupe transversale de la microstructure et une partie B représentant une vue de dessus. La figure 10 décrit le diagramme associé aux étapes successives de fonctionnalisation de la microstructure de la figure 9.
La figure 11 est une représentation schématique d'un support d'interconnexion en silicium comprenant une antenne de couplage permettant d'assembler une microstructure selon l'invention et un circuit intégré formant un composant électronique d'interface. Elle comporte une partie A représentant une coupe transversale du support d' interconnexion et une partie B représentant une vue de dessus.
La figure 12 est une coupe schématique d'un microsystème réalisé par l'assemblage d'un support d'interconnexion tel que décrit sur la figure 11 après fonctionnalisation avec une microstructure telle que décrit sur la figure 9 après fonctionnalisation et un composant électronique classique assemblé par wire- bounding .
La figure 13 est une représentation schématique d'un composant électronique conforme à l'invention comprenant une partie électronique active et un capot de protection permettant d'obtenir des contacts électrique recouverts d'un adhésif. Elle comporte une
B 14223 GB partie A représentant une coupe transversale du composant et une partie B représentant une vue de dessus .
La figure 14 est une coupe schématique d'un microsystème réalisé par l'assemblage d'un support d'interconnexion en silicium comprenant une antenne de couplage, tel que décrit sur la figure 11, après fonctionnalisation, avec une microstructure, telle que décrite sur la figure 9, après fonctionnalisation, et un composant électronique tel que décrit sur la figure 13, après fonctionnalisation. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Dans la description qui suit, des parties identiques, similaires ou équivalentes sur une même figure sont repérées par les mêmes signes de référence. Par ailleurs, et dans un souci de clarté des figures, tous les éléments ne sont pas représentés selon une échelle uniforme. De plus des zones réalisées dans un matériau ou le matériau constituant ladite zone sont représentées par le même numéro de référence.
Circuit électrochimique et substrat de capteur
La figure 1 montre une plaquette de silicium 100 particulière, conforme à l'invention.
La plaquette de silicium 100 comprend une pluralité de microstructures 1 réalisés à sa surface. Les microstructures 1 sont représentés schématiquement par une partie mécanique 102 comportant une zone déformable 104 sous la forme d'une membrane. Les microstructures 1 sont susceptibles de recevoir une garniture par voie électrochimique permettant de
B 14223 GB fonctionnaliser leur membrane 104. Les membranes 104 nues représentent des plages à garnir. Elles sont électriquement reliées par une électrode commune 106 à un plot d'adressage commun représenté symboliquement par la référence 108 sur la figure 1. Le plot d'adressage commun 108 peut être disposé ou non sur la plaquette de silicium 100.
La référence 120 indique un potentiostat pour la réalisation d'un montage de préférence à 3 électrodes. Le potentiostat 120 est relié à une électrode de travail 110, connectée au plot d'adressage commun 108, à une électrode de référence 122 et à une contre-électrode 112. La contre-électrode 112, et les plages conductrices à garnir 104 sont mises en contact avec un même milieu électrochimique 114 de façon à former ensemble avec la plaquette 100, le circuit électrochimique 116. Dans le montage à 3 électrodes utilisé, les potentiels sont mesurés par rapport à l'électrode de référence 122. On applique un potentiel au plot d'adressage commun 108 soit par un montage à 2 électrodes, soit, de préférence et comme représenté figure 1, par un montage à 3 électrodes de façon à ce que ce potentiel soit égal à une valeur V donnée par rapport à une référence. La composition du bain électrochimique peut être largement variable en fonction du type de garniture que l'on souhaite former sur les plages conductrices. On entend par garniture un revêtement organique réalisé en couche mince par voie électrochimique.
B 14223 GB Vo11amog amme
La figure 2 est un diagramme, plus précisément un vol ammogramme, indiquant en ordonnée l'évolution d'un courant électrochimique dans le circuit 116 représenté figure 1. Le courant est donné en fonction d'un potentiel appliqué à une plage conductrice 104 par rapport à l'électrode de référence 122. Ce potentiel est reporté en abscisse. Les courant I et tension V sont indiqués en échelle arbitraire. Le diagramme de la figure 2, donné à titre d'illustration, correspond à un procédé de garniture particulier obtenu par réaction électro-initiée : il s'agit d'un électro-greffage couplé à une croissance chimique de polymère, tel qu'il peut être obtenu par électro-réduction ou électro-oxydation de monomères vinyliques ou de monomères cycliques clivables par attaque nucléophile ou électrophile, ou encore par l' électro-réduction ou 1 ' électro-oxydation de précurseurs électro-clivables, en particulier lorsque leurs produits d' électro-réduction ou d' électrooxydation sont des radicaux réactifs, notamment par 1 ' électro-réduction de sels de diazonium, de sulfonium, de phosphonium ou d'iodonium. L' électro-greffage de monomères permet de fixer de façon covalente des polymères sur les plages conductrices ou semi- conductrices. Ces polymères "poussent" sur la surface à partir du premier monomère électro-réduit sur la surface conductrice 104, par croissance chimique. Seule la première étape d'accrochage du premier monomère sur la surface est électrochimique, la croissance étant, elle, purement chimique. On a donc bien une réaction électro-initiée. L' électro-greffage de sels de
B 14223 GB diazonium et analogues conduit - en général - à des couches qui ne croissent pas. C'est donc un cas particulier d'une réaction électro-initiée, réduite à sa plus simple expression. Dans la suite, les tensions sont indiquées en valeur absolue, et sont implicitement celles de l'électrode de travail, mesurées par rapport à une électrode de référence. Comme indiqué plus haut, elles ne correspondent à la tension effectivement appliquée expérimentalement que dans le cas d'un montage à 3 électrodes (la chute ohmique dans le circuit électrochimique étant supposée compensée par le potentiostat) . Dans le cas d'un montage à 2 électrodes, il aura fallu imposer un tension V différente de V, non mentionnée sur le graphique. La polarité constante de la tension appliquée pour une garniture donnée,, est appelée polarité de la garniture. Lorsque la tension de polarisation est comprise entre une valeur nulle et une valeur de démarrage Vs , un courant électrique très faible, voire indétectable, traverse le circuit. En tout état de cause, ce courant est insuffisant pour produire un dépôt détectable a posteriori par des moyens d'analyse des surfaces. On considérera, de ce fait et étant donné les objectifs recherchés, que la copolymérisation considérée ici est une réaction électro-initiée qui n'a lieu qu'à partir d'une tension de polarisation minimale.
A partir d'une tension de démarrage Vs, et jusqu'à une tension de seuil de garniture Vg un courant faible circule dans le circuit électrochimique 116. Ce courant ne traduit cependant pas nécessairement un phénomène de garniture. Il correspond à des réactions
B 14223 GB parasites concurrentes qui promeuvent essentiellement une chimie couplée se déroulant en solution, et ne délivrant donc pas de dépôt organique significatif.
En effet, le courant électrochimique traversant le circuit n'est pas exactement corrélé à la croissance d'un matériau de garniture sur les plages conductrices. Le courant électrochimique traduit au moins deux phénomènes distincts et concurrents. Un premier phénomène est le phénomène recherché et correspondant à la formation de la garniture sur les plages conductrices. Un autre phénomène correspond à la formation parasite de polymères dans le bain électrochimique, indépendamment du support de garniture. Les polymères ainsi formés se fixent éventuellement sur les plages conductrices par sorption physique mais leur fixation n'est pas stable, ils sont éliminés par rinçage.
La garniture proprement dite s'établit à partir d'une tension de seuil Vg. On désigne par Vsat un potentiel appelé "potentiel de saturation", qui est en général supérieur à un potentiel de pic Vp pour lequel le courant en fonction du potentiel appliqué présente un maximum. Le "potentiel de saturation" Vsat est un potentiel à partir duquel l'épaisseur de matériau greffé ne change pas avec le temps d'application de la tension à la plage conductrice. Ladite épaisseur est la limite asymptotique de l'épaisseur maximale que l'on peut obtenir dans un bain électrolytique donné. Ce potentiel correspond aussi à une valeur minimale permettant, à partir de balayages voltammétriques de potentiel effectués entre une valeur inférieure ou égale à Vg et une valeur d'arrêt supérieure ou égale à
B 14223 GB cette valeur minimale Vsat, d'obtenir des courbes -une courbe par valeur d'arrêt- donnant l'épaisseur du film en fonction du nombre de cycles, par exemple en conditions voltammétriques ou en multicréneaux, les différentes courbes obtenues présentant toutes cette même asymptote, indépendante de la valeur exacte du potentiel d'arrêt utilisé. C'est aussi le potentiel minimal avec lequel, moyennant un nombre de cycles voltammétriques suffisant effectués entre une valeur inférieure à Vg et une valeur d'arrêt supérieure au potentiel de saturation Vsat, on parvient à saturer les sites de la plage conductrice en chaînes polymères électro-greffées . Dans l'intervalle de tension compris entre Vg et Vsat, le phénomène de garniture est prédominant. Cet intervalle est appelé la largeur de potentiel de garniture.
En augmentant encore la tension de polarisation, au-delà de Vsat, le phénomène de garniture des plages conductrices devient minoritaire par rapport à d'autres phénomènes concurrents tels que la formation de matériaux en solution dans le bain électrochimique, mais le dépôt de polymères électro- greffes à la surface se stabilise.
Ainsi, la polarisation des plages à garnir est idéalement maintenue au moins égal au potentiel de saturation Vsat.
Les valeurs des différents potentiels, Vs, Vg Vp Vsat du voltammogramme dépendent à la fois de la nature N de la surface conductrice d'une plage à garnir et du type de garniture X. Ceci sera rappelé lorsque nécessaire par la notation V[X/N] par la suite.
B 14223 GB Principe greffage localisé homogène
Il est difficile d'envisager des résolutions latérales et en épaisseur élevées avec des techniques d' électrochimie conduisant à des revêtements organiques dont l'épaisseur est une fonction fortement croissante avec le temps de traitement et la valeur locale du champ électrique, ce qui est notamment le cas pour les réactions électro-suivies, comme l' électro-déposition de métaux ou de poly-électrolytes, ou encore l'électro- polymérisation, par exemple de précurseurs de polymères conducteurs (pyrrole, aniline, thiophènes et dérivés) . Ces réactions électro-suivies ont en commun de provoquer la formation d'un dépôt (non greffé dans le cas des dépôts organiques) , dont la quantité de matière - donc en général l'épaisseur - est proportionnelle à la charge (intégrale temporelle du courant électrique) passée dans le circuit pendant le protocole. Les inhomogénéités de potentiel, provoquées par des différences de chutes ohmiques par exemple, conduisent à des épaisseurs très différentes. Des inhomogénéités locales de champ électrique, provoquées par des effets de pointe, conduisent à des effets de bord importants. On veut dire que la garniture déborde de la plage conductrice d'implantation d'une façon mal contrôlée en sorte que la résolution spatiale de la garniture et donc la densité des plages conductrices (rapport entre le nombre de plages ayant chacune une surface et la surface totale du substrat sur lequel se trouvent ces plages) est limitée. Le greffage électrochimique à partir de réactions électro-initiées telles que décrites précédemment permet par contre de réaliser un greffage
B 14223 GB localisé car il est par nature moins sensible aux inhomogénéités de champ électrique. Ce greffage localisé permet de traiter des supports avec une grande densité de plages, sans utilisation de masques. L'épaisseur locale d'un revêtement réalisé à partir d'une réaction électro-initiée utilisant le greffage de monomères isolants pour accrocher certaines chaînes organiques ou initier leur croissance, dépend de la longueur de la chaîne formant la molécule du produit greffé et de la densité de greffage. La molécule étant choisie de manière à ce que sa longueur de la chaîne soit une donnée intrinsèque de la solution utilisée, le procédé conduit donc à une saturation de l'épaisseur du revêtement et limite les effets de bord. Seul le taux de couverture de la plage par la garniture, défini par le rapport entre la surface de la garniture couvrante et la surface de la plage, est une fonction dépendant de la cinétique électrochimique de la réaction de greffage. Un premier niveau d'homogénéité du revêtement est obtenu dès que le potentiel à la surface de chaque plage se trouve dans une fenêtre de potentiel garantissant une cinétique de greffage minimale. Cette condition moins contraignante celle décrite ci-après facilite la mise en œuvre pratique en limitant les effets des inhomogénéités du potentiel. Le taux de greffage défini comme étant le nombre de sites de la surface greffés sur le nombre total de sites disponibles de la surface, qui est alors obtenu est typiquement supérieur à 30%. Ce taux de greffage correspond à un taux de couverture de 60%.
Lorsque l'homogénéité en épaisseur est un paramètre critique pour la qualité du revêtement
B 14223 GB obtenu, les effets des variations de potentiel peuvent même être évités en utilisant le procédé dans un mode de saturation : en répétant le balayage de la tension entre un potentiel inférieur à Vg et un potentiel se situant au delà du potentiel de saturation jusqu'à obtenir une saturation du nombre de sites greffés, l'épaisseur du revêtement est une valeur intrinsèque qui ne dépend plus de la valeur exacte du potentiel local mais juste de sa présence dans une fenêtre de potentiel au delà du potentiel de saturation. Ce mode fournit un taux de greffage élevé (supérieur à 60%, qui correspond le plus souvent au taux de greffage maximal compte tenu de l'encombrement stérique entre chaînes voisines. Ces taux de greffage assurent des taux de couverture supérieurs à 90%, ce qui signifie que le revêtement est couvrant ou quasiment couvrant) .
Effet de la résistance d'accès
Les inhomogénéités du potentiel peuvent provenir de l'existence d'une résistance de valeur finie le long de l'électrode commune 106. En effet, en se référant à la figure 1, le potentiel contrôlé est celui appliqué par le potentiostat 120, au niveau du plot d'adressage commun 108, mesuré par rapport à l'électrode de référence 122. Or c'est le potentiel présent localement entre chaque plage à garnir 104 et l'électrode de référence 122 qui gouverne la réaction électro- initiée .
Pendant la phase de garniture, le potentiel V dépend du courant circulant dans l'électrode commune
106. Le modèle le plus simple pouvant être utilisé comporte une résistance R prenant en compte la chute de
B 14223 GB potentiel due à l'électrode commune 106. Par rapport à la figure 1, il s'agit, pour une plage donnée, de la résistance associée à la longueur de la ligne joignant cette plage au point de raccordement commun 108. Cette résistance est variable d'une plage à l'autre puisque les longueurs de ligne 106 entre le plot commun d'adressage 108 et chacune des plages sont en général différentes les unes des autres.
Le courant le traversant une résistance placée entre le point 108 et une plage conductrice 104 est la somme des courants électrochimiques. Il induit une chute de potentiel δv = R . le Ce courant présente un maximum Im au niveau du potentiel de pic Vp pour le domaine utilisé. Si l'on suppose que l'opérateur impose un potentiel V = Vsat + δVsat, alors tant que la ddp δVsat est grande devant la chute de potentiel maximum due à la résistance R, soit δVmax = R . Im, le voltammogramme, donc la zone de potentiel de greffage, est peu modifié par la présence de la résistance. En d'autres termes, tant que δVmax < δVsat, le potentiel est partout supérieur à Vsat, et le film déposé par réaction électro-initiée est partout de la même épaisseur, quelle que soit la cartographie de chute ohmique locale sur l'électrode de travail 110. Cette condition est remplie quand la valeur de la résistance en série R est faible devant l'impédance différentielle Rg de traitement du plot définie, de façon conventionnelle par Rg = (Vp-Vg) / Im
B 14223 GB De manière générale, la résistance R est une résistance équivalente déterminée à partir de la chute de potentiel le long de l'électrode commune 106 entre la plage conductrice à garnir 104 et l'extrémité de l'électrode commune correspondant au point 108, calculée pour la valeur maximum de courant Im la traversant divisée par le courant nécessaire pour traiter la plage. Pour le calcul de cette résistance R, on doit en particulier tenir compte de l'effet des courants nécessaires pour le traitement simultané des autres plages. Cette résistance R est appelée résistance d'accès ou résistance d'électrode de la plage.
D'autre part, le courant électrochimique maximum Im correspond à une densité de courant par unité de surface à greffer. Il est donc proportionnel à la surface de la plage. Cette densité de courant permet de définir par analogie une résistance surfacique différentielle de traitement caractéristique du procédé électrochimique utilisé.
Un premier ordre de grandeur de la résistance à ne pas dépasser pour la résistance d'accès R peut être donné par 1 ' approche suivante . La valeur typique mesurée pour le greffage de la densité de courant est de l'ordre de 1 mA/cm2. Pour des plages de 100 μm de coté ceci correspond un courant de 100 nA. La largeur typique de Vp-Vg est de l'ordre de 300 mV. Ceci donne une impédance différentielle de greffage Rg de l'ordre de 3 MΩ. Pour des plages conductrices qui seraient individuellement alimentées par une électrode de résistance R, tant que cette résistance R est faible
B 14223 GB devant cette valeur de 3 MΩ, la chute ohmique due à l'électrode commune 106 n'a pas d'effet sur la garniture. La généralisation s'effectue en remplaçant la résistance R par la résistance d'électrode de la plage citée plus haut.
Première application à des capteurs
Pour un grand nombre d'applications, en particulier dans le domaine biomédical, il est nécessaire de fonctionnaliser la surface d'une membrane d'une microstructure appartenant à un capteur, pour lui donner par exemple des propriétés de biocompatibilité ou pour limiter l'adhésion cellulaire susceptible de polluer le capteur. Il est a noter que ces deux fonctions ne sont pas nécessairement réalisées simultanément car un revêtement peut être considéré comme biocompatible justement parce qu'il favorise la colonisation cellulaire.
Pour des applications demandant une stabilité de la réponse du capteur sur du long terme, cette fonctionnalisation doit être réalisée à partir d'un dépôt d'épaisseur contrôlée permettant d'évaluer exactement les effets du film sur la réponse du capteur non seulement à un temps t=0 correspondant au début de la durée de vie du capteur mais aussi de préférence à un temps t quelconque de cette durée de vie. L'objectif est de ne pas perdre le bénéfice apporté par l'utilisation d'une microstructure électro-mécanique stable, comme par exemple une membrane 104 en silicium monocristallin, suite à la fonctionnalisation par un film organique par nature moins stable dans le temps. Ceci est particulièrement important lorsque la
B 14223 GB structure mécanique est réalisée à partir d'un mono cristal .
L'élasticité d'une couche mince est une fonction du module d'élasticité E du matériau et de son épaisseur h. En première approximation, un revêtement
(2) sur un élément élastique (1) nécessite une pression de compensation dP donnée par dP = P x E2/E1 x (h2/hl)3 dP est par définition la pression supplémentaire à appliquer au niveau du revêtement pour obtenir une pression P sur l'élément élastique, par exemple une membrane nue 104 en silicium monocristallin. L'équation précédente donne une estimation par défaut de l'effet du revêtement car elle ne tient pas compte de l'adhésion entre les deux matériaux, le matériau organique constituant la garniture et le matériau élastique constituant la membrane. Par simulations numériques, on obtient des valeurs plus proches de la réalité qui montrent que cette valeur approchée peut être augmentée d'un facteur très variable suivant les cas.
On peut idéalement demander que la présence du revêtement ne modifie pas, pour une sensibilité en pression δP recherchée, la réponse du capteur. On appelle s l'indice de fluctuation mécanique dans le temps du revêtement. Pour le critère énoncé, s = Max(dP[t] - dP[t=0]) / dP[t=0] où dP[t] est la valeur de la pression de compensation au cours du temps, la valeur maximum étant évaluée sur la durée d'utilisation du capteur. Avec cette définition, les conditions sur la couche sont données par
B 14223 GB dP[t=0] (1 + s) < δP (1) Une condition moins - contraignante peut être imposée en acceptant que la présence de la couche modifie la réponse de la membrane nue mais de manière stable dans le temps. Cette condition suppose une calibration du capteur après 1 ' encapsulation. Dans ce cas, la définition de la stabilité relative de la couche est légèrement différente s = Max(|dP[t] - dP[t=0] |) / dP[t=0] la présence de la valeur absolue, permet de tenir compte également des diminutions de la pression de compensation. Les deux définitions se rejoignent pour les faibles valeurs de s. Avec cette définition, les conditions sur la couche sont données par s x dP[t=0] < δP (2)
Ainsi pour un capteur de haute précision comme un capteur absolu utilisé dans le domaine médical pour mesurer une pression physiologique (système implanté) , la précision recherchée ÔP est de l'ordre de 0,1 % (1 mbar sur 1 bar) .
Soit dP/P la variation de pression relative liée à la présence du film appelée la transmission du film. La condition la plus contraignante (1) impose dans ce cas une transmission inférieure à 0,1%. La seconde condition (2) autorise une transmission comprise entre 1 et 5% suivant la valeur de l'indice s de fluctuation mécanique du film dans le temps (de 10% à 50%) .
Des simulations numériques ont été réalisées pour un polymère d'élasticité 1 GPa (Parylène) sur une membrane silicium d'élasticité 200 GPa de 4 μm
B 14223 GB d'épaisseur. Pour un indice de fluctuation mécanique dans le temps de la couche de polymère de 10%, la première condition (1) impose une épaisseur de la couche de polymère inférieure à 1 μm. La deuxième condition (2) permet d'utiliser des épaisseurs allant jusqu'à 3 μm. Cette épaisseur de la couche de polymère dépend faiblement de l'élasticité de ladite couche. Des simulations supplémentaires ont montré que l'épaisseur de la couche pouvait varier d'environ dix fois l'épaisseur de la membrane pour les matériaux les plus souples mais devait rester inférieure à l'épaisseur de la membrane pour les matériaux d'élasticité intermédiaire .
Il est important de noter que ces conditions sur l'épaisseur doivent pouvoir être garanties avec une bonne précision car l'élasticité de la couche est une fonction très rapide de son épaisseur. D'autre part, l'épaisseur utilisée doit être compatible avec la fonction apportée par la couche, en particulier lorsqu'il s'agit d'une fonction de protection. Ces deux conditions sont remplies avec les garnitures apportées par réactions électro-initiées particulières décrites dans ce texte.
Les figures 3a à 3i montrent de façon schématique différentes formes de réalisation de structure électromécanique 1 selon l'invention.
Sur la figure 3a une microstructure électromécanique 1 comprend une première partie 102 appelée partie mécanique, comprenant une zone déformable 104 de manière élastique. La zone 104 est réalisée dans un premier matériau conducteur de l'électricité déformable de manière élastique. La zone
B 14223 GB 104 a une valeur d'épaisseur et une surface exposée 2. Un premier film organique 4 ayant une épaisseur, est présent sur la surface exposée 2 de la zone déformable 104 en premier matériau. Conformément à l'invention, l'épaisseur du premier film 4 est telle qu'une réponse élastique de la zone déformable 104 ne change pas de plus de 5% par rapport à une réponse de la zone 104 du premier matériau seul, ou en ce que l'épaisseur du premier film 4 est inférieure à dix fois l'épaisseur de la zone déformable 104.
De préférence l'épaisseur du premier film 4 est telle que la réponse élastique de la zone déformable 104 de la partie mécanique 102, munie du premier film 4, ne change pas de plus de 1% par rapport à la réponse élastique de la zone déformable 104 seule.
Le premier film 4 est constitué d'une couche d'une molécule de longueur fixe liée de manière covalente à la surface exposée 2 de la zone déformable 104 du premier matériau, et dans une matière qui peut être déposée à partir d'une réaction électro-initiée.
Le taux de couverture de la surface exposée 2 par le premier film 4 est supérieur à 60 % et de préférence supérieur à 90 %.
Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3b, la partie mécanique 102 comporte à sa surface, une zone annulaire 5, entourant la surface exposée 2. La zone annulaire 5 comporte elle-même une surface 6 et est réalisée dans un deuxième matériau conducteur de l'électricité, différent au sens de la réaction électro-initiée du premier matériau de la partie mécanique 102. Un deuxième film organique 7 est présent sur la surface 6 de la dite zone annulaire 5.
B 14223 GB Ce deuxième film 7 est un film réalisé dans une matière pouvant être déposée à partir d'une réaction chimique électro-initiée .
Le mode de réalisation représenté figure 3c est un mode particulier de réalisation du mode représenté figure 3b dans lequel le premier matériau conducteur de la zone déformable 104 est un semi -conducteur dopé. Le second matériau conducteur de la zone annulaire 5 est le même semi-conducteur ayant un dopage de type opposé à celui du premier matériau. Une jonction formant diode est ainsi créée entre le second matériau de la zone annulaire 5 et le premier matériau de la zone déformable 104.
Le mode de réalisation de la figure 3d est un mode particulier de réalisation dans lequel la microstructure 1 électromécanique comporte un groupe de premiers plots 8 de contact sur une position extérieure à la zone annulaire 5. Le groupe de premiers plots 8 peut ne comporter comme représenté figure 3d qu'un seul plot 8.
Les premiers plots de contact 8 peuvent être réalisés dans un troisième matériau conducteur de l'électricité, différent au sens de la réaction électro- initiée du premier matériau de la zone déformable 104 et du second matériau de la zone annulaire 5 ou différent de l'un seulement, de ces premier 104 ou deuxième matériaux 5.
Dans le mode de réalisation représenté figure 3e, ou 3f un troisième film organique 10 est en outre présent à la surface 9 des premiers plots de contact 8. Ce troisième film 10 est dans une matière qui peut être déposée à partir d'une réaction électro-initiée.
B 14223 GB Les modes de réalisation des figures 3e ou 3f diffèrent l'un de l'autre par le fait que dans un cas la surface annulaire se trouvant sous le second film 7 est réalisé dans un matériau 5 différent du premier matériau conducteur constituant la zone déformable 104, alors que dans l'autre cas le second matériau conducteur se trouvant sous le second film 7 est réalisé dans un matériau 5 différent du premier matériau conducteur par le fait que son dopage est d'un type différent, par exemple n, du dopage du premier matériau, par exemple p, les premier et second matériaux conducteurs étant les mêmes semi -conducteurs .
Dans l'exemple représenté figure 3g la microstructure 1 électromécanique comporte une deuxième partie 11 mécaniquement solidaire et électriquement isolée de la première partie 102. La seconde partie 11 comporte en surface un ou plusieurs deuxièmes plots 12 de contact réalisés dans un matériau différent au sens de la réaction électro-initié du matériau constitutif de la seconde partie 11. Un quatrième film organique 14 est présent à la surface 13 des deuxièmes plots de contact 12. Ce quatrième film 14 est un film réalisé dans une matière qui peut être obtenue à partir d'une réaction chimique électro-initiée. Dans l'exemple représenté figure 3h, la microstructure 1 électromécanique comporte une troisième partie 15, isolée électriquement de la première partie 102, réalisée dans un matériau conducteur de l'électricité. La deuxième partie 11 et la troisième partie 15 sont électriquement reliées l'une à l'autre par exemple par une liaison 20. Un quatrième film organique 14 est présent à la surface 13
B 14223 GB des deuxièmes plots de contact 12. Ce quatrième film 14 est dans une matière qui peut être déposée à partir d'une réaction électro-initiée.
L'exemple représenté figure 3i correspond à' l'un des cas représentés et décrit avec les figures 3a à 3h dans lequel un plot de raccordement d'électrode 19 est réalisé dans la partie 102 dans un matériau conducteur différent du premier matériau 102 et situé en dehors de la surface exposée 2 et de la zone annulaire 5 si celle cî est présente. Le premier matériau 102 peut être par exemple de préférence un semi-conducteur dopé d'un premier type et le matériau de plot 19 le même semi -conducteur d'un type opposé au premier type . Dans un mode de réalisation représenté figure
9, la partie mécanique 102 de la microstructure 1 se présente sous la forme d'une couche de silicium monocristallin, venant au dessus d'une couche isolante 16, par exemple en silice. La deuxième partie 11 est également portée par cette même couche de matériau isolant 16 en sorte que les première 102 et deuxième 11 parties sont solidaires de cette couche isolante 16. Dans ce mode, la troisième partie 15 est constituée par une couche de silicium sur lequel repose ladite couche isolante 16. La dite couche isolante 16 comporte un évidemment 18 situé immédiatement sous la zone déformable 104. Cet évidemment 18 permet à la zone déformable 104 couche en silicium monocristallin 102 de se déformer. Ce mode de réalisation de la microstructure électromécanique 1 sera décrit de façon plus détaillée plus loin.
B 14223 GB Dans ce mode de réalisation la microstructure électromécanique 1 selon l'invention est ' destinée à un usage médical ou vétérinaire, et le premier film 4 organique est dans un matériau tel que la surface exposée 2 de la zone déformable 104 couverte de ce film 4 présente des fonctions de biocompatibilité, de non cyto-toxicité et/ou d' anti-adhésion ou antiprolifération cellulaire. Le deuxième film 7 est un film présentant des fonctions de biocompatibilité et de non cyto-toxicité.
Avant de décrire en détail le mode de réalisation particulier, des exemples de plaquette 100 portant plusieurs microstructures 1 selon l'une des formes de réalisation de l'invention seront succinctement décrites en liaison avec les figure 4a à 4f. Ces figures sont destinées à faire apercevoir les- différentes façons dont une ou plusieurs électrodes communes lient électriquement ensemble selon les cas des parties identiques des microstructures 1. Afin de mieux faire apercevoir la correspondance avec les figures 3, les microstructures 1 sont représentées en coupe transversale et le parcours des électrodes commune est représenté en vue de dessus. Les figures 4a à 4f ne comporte que deux microstructures 1 identiques, mais il faut comprendre qu'elles en comporte normalement bien d'avantage, qui ne sont pas nécessairement identiques entre elles. Pour aérer la présentation les numéros de référence ont été répartis entre les deux microstructures de chaque figure. Dans l'exemple représenté figure 4a une première électrode commune 106a relit électriquement entre elles toutes les parties mécaniques 102 réalisées
B 14223 GB dans le premier matériau conducteur. Les microstructures 1 peuvent comporter en plus de la zone déformable 104, comme représenté figure 4a, une zone annulaire 5 sur lequel est présent un deuxième film 7 et un plot de contact 8, sur lequel est présent un troisième film 10, telle que décrit en relation avec les figures 3.
Dans les exemples représentés figure 4b et 4c, les microstructures 1 sont respectivement les microstructures 1 représentées figure 3c et 3f.
Dans l'exemple représenté figure 4b, la plaquette 100 comporte une première électrode 106b commune reliant électriquement toutes les zones annulaires 5 entre elles. La polarité nécessaire pour électro-initier le premier film 4 correspond au sens passant de la diode créée par le dopage dans le sens zone annulaire 5 vers partie mécanique 102.
Dans une variante de réalisation représentée figure 4c, la première électrode commune 106a relit électriquement toutes les parties mécaniques 102 entre elles. La polarité nécessaire pour électro-initier le deuxième film 7 correspond au sens passant de la diode créée par le dopage dans le sens de la partie mécanique 102 vers la zone annulaire 5. Dans l'exemple représenté figure 4d, les microstructures 1 sont identiques à celles représentées figure 3f. Une première électrode commune 106b relit électriquement entre elles toutes les zones annulaires 5. La polarité nécessaire pour électro-initier les premier 4 et troisième film 10 est identique et correspond au sens passant de la diode créée par le
B 14223 GB dopage dans le sens zone annulaire 5 vers partie mécanique 102.
Dans la figure 4e, les microstructures 1 représentées sont identiques aux microstructures des figures 3e ou 3f mais comportent en plus une deuxième partie 11 mécaniquement solidaire et électriquement isolé de la première partie 102. La figure 4e représente uniquement une microstructure identique à la microstructure de la figure 3e mais qui comporte en plus une deuxième partie 11. La plaquette 100 comporte une première électrode commune 106a reliant entre elles toutes les premières parties mécaniques 102. Elle comporte en outre une seconde électrode commune 106c reliant entre elles toutes les secondes parties 11. Dans l'exemple représenté figure 4f les plaquettes 100 comportent un ensemble de microstructures 1 telles que décrites en relation avec la figure 3i réalisées à la surface de la plaquette par un procédé collectif. La plaquette 100 comporte une première électrode commune 106d reliant électriquement entre eux tous les plots d'électrodes 19. La polarité nécessaire pour électro-initier les films organiques 4, 7, 10 correspond au sens passant de la diode créée par le dopage entre les plots d'électrode 19 et les parties mécaniques 102.
La figure 5 illustre un exemple particulier de mise en œuvre de l'invention pour des dispositifs électromécaniques nécessitant une garniture. Le substrat est une plaquette de silicium sur laquelle sont micro-usinées des microstructures 1 électromécaniques destinées à être utilisées pour réaliser des capteurs de pression. La figure 5 représente une seule
B 14223 GB de ces microstructures 1. Elle comporte une partie A représentant une coupe transversale et une partie B représentant une vue de dessus.
La plaquette 100 à partir de laquelle est réalisée la microstructure 1 est un substrat SOI (Silicon On Insulator) composé d'une partie inférieure 15, recouverte d'une couche de silice 16 et d'une couche de silicium monocristallin 102 augmentée par épitaxie, typiquement d'épaisseur micrométrique (partie supérieure du substrat dite partie mécanique 102) . La gravure locale par des moyens chimiques de la couche de silice 16 permet de réaliser une cellule sous vide 18. L'étanchéité de la cellule 18 après gravure est assurée au moyen d'un bouchon 21 venant fermer une ouverture pratiquée dans la couche de silicium monocristallin 102 pour la gravure de la couche" isolante 16. La partie supérieure 104 de la cavité 18, constituée par une partie centrale libérée de la couche 102 de silicium monocristallin fait office de membrane 104 se déformant sous l'effet d'une pression. La déformation de la membrane 104 se traduit par une modification d'une valeur de capacité mesurée entre les deux plans de silicium 15 et 102 grâce à des contacts électriques 22 et 25 réalisés par dépôt local d'or, sur la couche 15 et la couche 102 respectivement. Pour obtenir un accrochage optimum entre l'or et le silicium une couche d'interface, typiquement à base de titane et de nickel est utilisée. Pour améliorer le contact électrique, un sur dopage peut être réalisé sous les plots de contact 22, 25. Dans la suite du texte, un dépôt d'or sur silicium sous entend l'utilisation d'une couche d'accrochage intermédiaire et/ou d'un sur dopage. La
B 14223 GB métallisation peut également être réalisée par tout autre dépôt métallique connu.
Une garniture sous forme d'un film 4 est déposée à la surface de la membrane 104. A titre d'exemple de mise en œuvre, avec des bains contenant des monomères vinyliques et/ou des molécules cycliques clivables, on peut réaliser notamment des revêtements dont les propriétés peuvent être ajustées. Ainsi, 1' électro-greffage de l' hydroxy-éthyl méthacrylate (HEMA) , -du méthyl méthacrylate (MMA) , du butyl méthacrylate (BMA) , de poly éthylène glycol di- méthacrylate (PEG-di-MA) , de la N-vinyl pyrrolidone (NVP) , et plus généralement de monomères vinyliques activés fonctionnalisés par des substituants (moléculaires ou macromoléculaires) de nature biocompatible, permettent d'obtenir des films polymères présentant de bonnes propriétés de biocompatibilité, notamment au sens de la norme ISO 10993. Les films obtenus par électro-greffage sont en général isolants, à taux de greffage élevé, mais il n'est pas rare d'observer que l'isolation électrique, notamment en solution, est d'autant plus favorisée que le polymère électro-greffé est plus hydrophobe . Le dépôt d'un revêtement biocompatible 4 sur la membrane 104 va permettre de rendre la surface en contact avec l'environnement biocompatible (surface exposée), le bouchon 21 étant soit un matériau biocompatible, soit recouvert d'un matériau non organique biocompatible par des techniques de dépôt de couche mince microélectronique.
B 14223 GB Dans l'exemple représenté figure 5, la zone déformable 104, constituant la membrane est sensiblement circulaire. La partie non déformable de la couche 102 repose sur la couche de silice 16. Une première excroissance 23 de la couche 102 descend selon une pente douce 318 créée par micro-usinage vers la couche isolante 16.
Pour permettre la fonctionnalisation collective des membranes 104 de l'ensemble des parties mécaniques 102 présentes sur une même plaquette 100, une électrode commune 106a telle que décrite sur la figure 1 ou les figures 4 permettant de relier l'ensemble des plages 102 à un point commun 108 en périphérie de la plaquette est réalisée grâce à une piste 106a en or parcourant la couche de silice 16 sur l'ensemble de la plaquette 100. Ainsi la référence 24 désigne une partie de la piste 106 traversant de part en part une microstructure électromécanique 1. La piste 24 est sur chaque microstructure reliée électriquement à la couche 102 de cette microstructure électromécanique 1 par une piste d'or 25 reposant sur la pente 318 créée par microusinage de la couche épitaxiée 102. Ces couches sont revêtues d'une couche de passivation. Des plots d'interconnexion 26, 26a à un support d'interconnexion 402 qui sera décrit plus loin sont ouverts, suivant une méthode connue, dans la couche de passivation déposée sur la métallisation Au.
Sélectivité par matériau Un premier procédé de dépose de garniture sur différentes plages conductrice de la microstructure
B 14223 GB électromécanique 1 utilisant la sélectivité par matériau sera maintenant décrit .
Il a été noté que les différents potentiels caractéristiques utilisés pour la description d'une réaction électro- initiée dépendent de la nature du matériau de la surface conductrice. On définit des matériaux de nature différente au sens d'une réaction électro- initiée comme étant des matériaux qui diffèrent l'un de l'autre par, au moins par exemple, l'un des paramètres suivants : travail de sortie électronique dans le vide, solvatation de la surface par le solvant d' électrolyse, acidité de Brόnsted dans le solvant d' électrolyse .
Ainsi, pour une garniture X donnée, tous les autres paramètres étant égaux par ailleurs, le potentiel Vg [X/Au] nécessaire pour initier la réaction électro-initiée sur l'or est plus faible que celui Vg[X/Si] sur le silicium. En pratique, des cycles successifs en tension entre le potentiel nécessaire à initier la réaction et un potentiel supérieur où le rendement de la réaction est optimisé, est réalisé. La fonctionnalisation de la membrane en silicium à partir du potentiel de saturation Vsat[X/Si] entraîne une formation plus importante de polymères en solution à cause de la présence de la surface en or associée à un potentiel de saturation Vsat [X/Au] inférieur. Cet effet peut être évité en appliquant successivement lors d'une étape I le potentiel Vsat [X/Au] jusqu'à saturation des plages en or, puis lors d'une étape II le potentiel Vsat [X/Si] pour la fonctionnalisation des membranes.
B 14223 GB Il est également possible de fonctionnaliser la surface des membranes en laissant les contacts électriques de tout revêtement .
Lors d'une première phase I de garniture, une première garniture A est appliquée sur les contacts par un potentiel Vsat [A/Au] permettant le greffage de la garniture A sur les contacts en or mais pas sur la membrane en silicium. L'écart typique entre les deux potentiels Vsat [X/Au] et Vsat [X/Si] est en effet supérieur à la largeur typique de potentiel de garniture (ce qui signifie que Vsat [X/Au] est inférieur à Vg[X/Si]) . La garniture A ne se greffe pas sur les zones en silicium pour le potentiel Vsat [A/Au] .
Une seconde garniture B est réalisée sur la surface des membranes par application du potentiel approprié Vsat [B/Si] . Aucune garniture B n'est réalisée à la surface des zones ayant été fonctionnalisée par la garniture A même si le potentiel Vs [B/Au] est inférieur au potentiel appliqué. En effet, les plages préalablement garnies restent insensibles au nouveau traitement, notamment lorsque leur garniture préalable est isolante : par "garniture isolante", on entend ici une garniture qui empêche la reprise d'une nouvelle réaction électro-initiée. Si cette nouvelle réaction est par exemple une réaction d' électro-greffage, (i) le non gonflement de la première garniture par un solvant de la nouvelle réaction ; (ii) l'insolubilité du monomère de la nouvelle réaction dans la première garniture ; (iii) l'occupation maximale (taux de greffage maximal) des sites de la plage conductrice du fait de la première garniture ; sont - indépendamment -
B 14223 GB des causes pouvant conduire à une isolation (au sens électrochimique) de la plage déjà garnie.
Finalement, un traitement chimique sélectif permettant d'enlever la garniture A sans attaquer la garniture B est réalisée, par exemple en utilisant un protocole de potentiel adapté dans un solvant spécifique à A. La garniture A est utilisée comme masque moléculaire permettant de protéger temporairement les contacts de l'opération de garniture des membranes par la garniture B. La garniture B étant par exemple un film de Poly-HEMA, on peut par exemple masquer préalablement certaines zones avec un film A de 4-nitro phényl diazonium, ce film pouvant être ensuite électro-gommé par un potentiel très cathodique dans l'eau.
Besoin de sélectivité
De manière plus générale, l'utilisation de garnitures différentes sur certaines plages conductrices de la face avant de la microstructure permet d'apporter différentes fonctions supplémentaires, par exemple lors d'une étape de préconditionnement réalisée de manière collective simultanément sur tous les capteurs, donc avant découpe du substrat de silicium.
Pour un grand nombre d'applications, il est avantageux de pouvoir apporter d'autres fonctions a la surface de la microstructure lors de sa phase de préconditionnement pour faciliter les phases ultérieures de montage.
Ces fonctions seront mieux comprises à partir de l'exemple suivant décrivant une des utilisations
B 14223 GB possibles de ce type de microstructures en tant que composant d'un capteur de pression.
La microstructure peut être utilisée au sein d'un microsystème tel que décrit dans [Miniature pressure acquisition microsystem for wireless in vivo measurements, Renard S. et al, présenté à lsth annual international IEEE EMBS Spécial topic conférence on microtechnologies in medicine and biology, October 12- 14, à Lyon en France] . Un tel microsystème 200 représenté figure 6 est réalisé par assemblage : d'une microstructure électromécanique 1 formant l'élément sensible du capteur représenté en vue de dessus de façon schématique figure 6 partie D, d'un circuit électronique 400 de type ASIC comprenant notamment un convertisseur de capacité en signal numérique et un coupleur permettant une alimentation à distance par champ magnétique et une transmission sans fils des mesures.
La figure 6 comporte en outre une partie A représentant une coupe transversale du microsystème 200 après assemblage et une partie B représentant une vue de dessus avant assemblage d'un support d'interconnexion 402.
L'ASIC 400 traite notamment les données en provenance de la microstructure 1 et forme un interface entre la microstructure 1 et le support d'interconnexion 402. L'ASIC 400 et la microstructure 1 sont montés sur le support d'interconnexion 402. Le support d'interconnexion 402 comprend une antenne de couplage 403 couplée à l'ASIC 400.
B 14223 GB Pour cette utilisation dans un microsystème de mesure, la microstructure 1 a par exemple la forme de réalisation décrite figure 5.
Le support d'interconnexion 402 comporte des premiers plots de raccordement 427 de l'ASIC 400 et des second plots de raccordement 426 de la microstructure
1. Les premiers plots 427 de raccordement du support
402 sont en correspondance géométrique avec des plots 427' de raccordement de L'ASIC, en sorte que la figure formée par les plots de l'ASIC peut être retournée sur le support d'interconnexion 402 pour que les plots 427' de l'ASIC 400 et les premiers plots 427 du support d'interconnexion 402 puissent venir en coïncidence les uns avec les autres. De même la microstructure 1 est équipée de plots de raccordement 26, 26a figurés figure
5 partie B et 6 partie D par des carrés sur les pistes conductrice par exemple d'or. Ces plots de la microstructure 1 peuvent venir en coïncidence après retournement avec les second plots du support d'interconnexion 402. Dans l'assemblage représenté figure 6 partie A, l'ASIC 400 et la microstructure 1 sont retournés sur le support d'interconnexion 402, les plots 427' de raccordement de L'ASIC 400 et ceux 26, 26a de la microstructure 1 étant raccordées mécaniquement et électriquement par exemple par une méthode dite "flip chip" au premier et second plots du support d'interconnexion 402 respectivement, au moyen par exemple de billes insérées entre les plots 427', 26, 26a respectivement de l'ASIC 400 et de la microstructure 1 et ceux 427, 426 du support d'interconnexion 402. Des résines 406, 407 de renforcement mécanique et de protection extérieure sont
B 14223 GB utilisées pour terminer l'assemblage. De façon avantageuse, en position assemblée une ouverture traversante 405 du support d'interconnexion 402, se trouve face à la membrane 104 garnie du premier film 4. La résine 406 tout en laissant libre l'accès à la membrane 104 au travers de l'ouverture 405, assure notamment une étanchéité et une isolation électrique entre la membrane 104 munie de son film 4 et le reste du microsystème 200. Un microsystème 200 tel que montré figure 6 partie A, peut être utilisé de manière autonome pour des systèmes implantés pour le monitorage ponctuel de la pression, en particulier dans le domaine médical. Dans ce cas le support d'interconnexion 402 est de préférence en matériau biocompatible (comme le polyimide) . Dans le cas général, le support d'interconnexion 402 peut également servir à placer le composant 400 dans un boîtier. Le critère d'encombrement est particulièrement important pour les systèmes implantés, ce qui exclue l'utilisation des méthodes classiques d' encapsulation.
Après la membrane 104, un second type de fonctionnalisation concerne donc la surface des plots d'interconnexion 26 liés électriquement à la membrane 104 et 26a lié électriquement au plan de silicium inférieur 15 (figure 5 partie A) . Une méthode particulièrement adaptée connue consiste à monter comme décrit ci dessus en relation avec la figure 6, la microstructure 1 après découpe "face avant retournée" vers le support d'interconnexion 402 (méthode dit de "flip-chip") en utilisant des billes fusibles pour l'interconnexion électrique et mécanique. Dans ce cas,
B 14223 GB les plots d'interconnexion 26, 26a sont ouverts, suivant une méthode connue, dans une couche de passivation déposée sur la métallisation Au. Les billes peuvent être obtenues après recuit d'un dépôt réalisé à partir de différentes techniques connues.
Il est également intéressant de pouvoir réaliser cette fonction à partir d'un revêtement polymère conducteur déposé en couche mince ("flip-chip polymère" ) . Dans ce mode d'assemblage "face avant retournée" d'une microstructure 1, le support 402 comporte également une fenêtre 405 en regard de la membrane 104 de la microstructure 1 pour permettre un contact direct vers un milieu à caractériser, contact nécessaire pour la mesure de pression. L'isolation entre les contacts et le milieu, isolation nécessaire pour le bon fonctionnement d'un capteur incorporant la microstructure 1, doit être réalisée par un joint d'étanchéité (au niveau de la zone annulaire entourant la surface exposée) .
Ce joint peut être réalisé à partir des techniques connues comme expliqué en relation avec la figure 6, permettant de faire diffuser par capillarité une résine 406 entre le support 402 et la microstructure 1 (technique dite "underfill") couplée à l'effet de capillarité pour que la résine ne recouvre pas la membrane 104 munie du film 4.
Il est également intéressant de chercher à réaliser ce joint à partir d'un polymère isolant. Ceci correspond à un troisième besoin de fonctionnalisation. Les différentes fonctionnalisations décrites demandent des polymères ayant des propriétés
B 14223 GB différentes : contrainte sur l'épaisseur et fonctionnalisation de type chimique pour la membrane 104 de la microstructure 102, conductivité et propriété d'adhésion pour les contacts électriques 410-413 et isolation et propriété d'adhésion pour la zone annulaire pour former un joint d'étanchéité.
Il est possible d'utiliser la sélectivité provenant du matériau pour disposer d'un premier moyen de sélectivité lorsque les deux plages à garnir sont ou peuvent être connectées électriquement, par exemple en utilisant un dépôt d'or sur la surface de silicium comme décrit plus haut. Un autre moyen de sélectivité peut être utilisé dans le cas général.
Effet d'une diode
Un adressage sélectif est utilisé lorsqu' il est nécessaire de greffer des polymères différents sur des surfaces de même nature chimique à partir d'une même électrode commune. Ce choix d'une électrode commune unique peut être un choix pour simplifier le réseau d'électrode lorsque le composant est fabriqué de manière collective sur une plaquette ou peut être imposé par la technologie de fabrication.
La figure 7 illustre un circuit équivalent de la configuration utilisée dans le cas de deux familles distinctes de plages utilisant une même électrode. La partie A de la figure représente la topologie de la configuration. A la surface d'un composant 500 inclus dans une plaquette 514 en comprenant plusieurs, se trouvent deux types de plages 502 et 504 de même nature chimique, par exemple de l'or. Les deux ensembles de plages de type 502 et 504 forment respectivement des
B 14223 GB familles 510 et 512 lorsque le composant 500 est répété sur la plaquette 514. Les plages 502 de la famille 510 sont reliées à une électrode commune 506 parcourant la plaquette. L'adressage sélectif est obtenu en intercalant localement des diodes 508 entre les plages 504 de la famille 512 à garnir et l'électrode commune 506. La partie B de la figure 7 est une modélisation électrique d'une partie du circuit électrochimique.
Pendant l'opération de greffage, le potentiel V existant entre une plage conductrice 504 à garnir et l'électrode de référence dépend du courant circulant dans le circuit d'adressage.
La figure 8 est le voltammogramme associé à la configuration décrite sur la figure 7. Il est établi en fonction d'une tension Vr mesurée par un voltmètre entre la source et l'électrode de référence, non représentées sur le schéma, dans un montage classique à trois électrodes (cf. figure 1) .
Le voltammogramme comprend deux courbes 600 et 602 associées respectivement à la garniture des plages des familles 510 et 512 pour une garniture donnée. La courbe 600 est identique à celle représentée figure 2 puisque le potentiel présent sur la plage 502 est identique à celui appliqué au niveau de la source 506. Ce modèle ne tient pas compte de l'existence d'une résistance éventuelle le long de l'électrode commune considérée comme négligeable suivant les conditions décrites précédemment. La courbe 602 est elle différente à cause de l'existence de la diode 508 entre la plage 504 et la source 516 : le potentiel présent sur la plage 504 n'est pas celui appliqué par la source 506.
B 14223 GB Pour modéliser l'effet de la diode intercalée entre l'électrode commune et une plage conductrice, il est nécessaire de revenir sur le modèle électrique proposé figure 7 en examinant les effets transitoires correspondant à l'établissement du potentiel.
Dans un modèle simple, la réaction électrochimique telle que décrite par le voltammogramme de la figure 2, peut être modélisée par une diode 518 de seuil Vs associée à une résistance en série Rg 520 permettant de rendre compte de la pente du voltammogramme. La diode 508 utilisée comme moyen de décalage peut être modélisée par une diode parfaite 522 associée à une résistance 524 en parallèle Rd permettant de rendre compte des courants de fuite. Le modèle suppose que le courant électrochimique avant le seuil Vs est inférieur au courant de fuite de la diode intercalée. Si la diode est orientée dans le sens bloquant pour la polarité de tension utilisée, le seuil est considéré comme infini. A partir d'une situation initiale où tous les potentiels sont nuls, la croissance du potentiel Vr appliqué au niveau de l'électrode 506 se traduit par l'apparition d'un faible courant de fuite à travers la résistance Rg permettant de charger électriquement la plage conductrice 504 : le potentiel V au niveau de la plage conductrice 504 est égal au potentiel Vr. Tant que ces potentiels restent inférieurs au seuil Vs, il n'y a pas de réaction électrochimique. Lorsque les potentiels V et Vr atteignent la valeur Vs, il y a apparition d'un premier courant électrochimique provenant essentiellement de la chimie en solution. Ce courant crée un décalage entre Vr et V provenant de la
B 14223 GB résistance Rd. Le potentiel V au niveau de la plage conductrice est donc inférieur au potentiel Vr appliqué par la source. Cette différence a pour valeur asymptotique Vd qui correspond au seuil de conduction de la diode.
On observe donc que la nouvelle courbe 602 est décalée, et plus précisément translatée d'une valeur ÔV vers des valeurs de tension plus élevées. Ce décalage est égal à Vd, seuil de conduction de la diode, pour des courants supérieurs au courant de fuite de la diode. Si le courant de fuite de la diode est inférieur au courant électrochimique maximum avant le démarrage du greffage, le seuil de greffage Vg pour la famille 512 est décalé de la valeur du seuil de conduction de la diode.
En conclusion, dans un bain électrochimique contenant un matériau de garniture donné, il est donc possible d'autoriser sélectivement la garniture de certaines plages dépourvues de moyens de décalage de type diode ou pourvues de moyens de décalage de faible amplitude, tout en interdisant la garniture d'autres plages associées à des moyens de décalage de plus forte amplitude. L'amplitude du décalage est liée au seuil de conduction des diodes. L'application d'une tension identique Vr par la source se traduira par des tensions
V locales différentes déclenchant ou ne déclenchant pas la garniture selon le choix du maximum de polarisation.
Par exemple pour l'exemple illustré figures 7 et 8, supposons que les familles de plage 510 et 512 doivent respectivement recevoir des garnitures A et B. La diode est orientée de manière à être passante pour le signe du potentiel utilisé pour déclencher la
B 14223 GB garniture B. Le potentiel de seuil de la diode est choisi supérieur à la largeur du potentiel de garniture de A sur Au. Une tension appliquée de valeur maximale Vsat [A/Au] permettra la garniture de la première famille de plages 510 mais ne sera pas suffisant pour la garniture du second groupe de plages 512.
Si le bain électrochimique B suivant est différent, les seuils de garniture Vg [B/Au] peuvent être plus faibles ou plus élevées que ceux du premier bain. Une garniture des plages conductrices non encore garnies peut avoir lieu sous l'application d'une tension de polarisation maximale Vsat [B/Au] + Vd , Vd étant de valeur finie de par le choix de l'orientation de la diode. L'association de différentes plages de garniture à différents moyens de sélection à seuil, avec des seuils différents, permet donc bien de distinguer différentes familles de plages conductrices pouvant être garnies sélectivement.
Mise en œuvre pour les capteurs
La figure 9 représente un exemple de réalisation d'une microstructure 1 pouvant être utilisée dans un capteur de pression pouvant recevoir trois fonctionnalisations différentes à sa surface. Elle est réalisée comme celle décrite figure 5 à partir d'un substrat SOI mais comporte des fonctions supplémentaires permettant une fonctionnalisation multiple . Trois types de fonctions peuvent être apportés sur la face supérieure de la microstructure par greffage de polymères :
B 14223 GB - la fonctionnalisation de la membrane 104 comme sur la microstructure décrite en relation avec la figure 5, par exemple pour garantir la non cyto-toxicité et l'anti-adhésion cellulaire sous forme d'un premier film 4,
- la réalisation d'un joint d'étanchéité permettant de garantir l'isolation électrique entre les contacts 8, 12 et la zone de la membrane 104 après l'assemblage du capteur sur un support d'interconnexion 402 sous forme d'un second film 7,
- la fonctionnalisation des contacts 8, et 12 pour la connexion électrique par flip-chip sous forme de films 10 et 14 respectivement.
Les contacts 8 et 12 permettent d'atteindre électriquement respectivement la membrane 104 et la partie inférieure 15 du substrat (partie fixe de la capacité formée entre la membrane 104 et la couche inférieure de silicium 15) . La détection de la déformation se fait par mesure de la variation de capacité entre ces deux contacts. Il existe d'autres types de microstructures incluses dans des capteurs de pression à déformation comme les capteurs piezoresistifs qui pourraient nécessiter le même type de fonctionnalisation. Pour assurer une planéité parfaite entre les deux contacts 8, 12 ce qui facilite l'assemblage ultérieur, le contact 12 est réalisé sur un plot réalisé sur la même couche de silicium 102 que la membrane 104 mais isolé de celle-ci par une gravure 28 de la couche supérieure de silicium 102. Un pan incliné 710 micro-usiné en extrémité des couches supérieures 102 en silicium monocristallin et de la
B 14223 GB couche isolante 16 sur laquelle repose la couche 102, permet d'assurer la connexion entre la couche inférieure de silicium 15 et les plots 12 par simple métallisation d'une piste 20 en surface. Une électrode 106c au niveau de la couche inférieure 15 du substrat permet d'adresser l'ensemble des contacts 12.
Dans l'exemple choisi, la partie supérieure 102 de la microstructure 1 est de type p. Une implantation locale 5 de type n est réalisée à la surface de la couche 102. Cette implantation 5 couvre un pan incliné 318 réalisé comme décrit en relation avec la figure 5, situé de façon diamétralement opposée au plan 710 par rapport à la membrane 104, et couvre une zone annulaire de la couche 102 entourant ladite membrane 104. L' implantation 5 autour de la membrane 104 définit une zone annulaire pour la réalisation d'un joint d'étanchéité à sa surface. Une électrode commune 106b réalisée par évaporation d'une couche d'or sur la couche isolante 16 en silice séparant électriquement et mécaniquement les couches conductrices en silicium 102 et 15 permet de relier électriquement toutes les implantations 5 à une source commune de polarisation.
De part cette mise en œuvre, l'électrode commune 106b permet d'adresser l'implantation 5 par l'intermédiaire d'un contact en or 29 couvrant une partie du plan incliné 318 et, via une diode réalisée à partir de la jonction np, la surface en silicium de la membrane 104 et enfin le contact en or 8 au travers de la diode et de la couche 102. La jonction np est une diode passante pour des polarisations négatives. L'inversion des dopages permettrait d'obtenir une diode passante dans le sens inverse.
B 14223 GB Greffage sélectif sur la microstructure
La figure 10 décrit sur un voltammogramme les cycles réalisés pour apporter les différentes garnitures à la microstructure telle que décrite figure 9.
Pour une garniture X donnée, il existe trois courbes de courant en fonction du potentiel appliqué au niveau de la source via l'électrode 106b. La courbe 800 décrit le voltammogramme pour le greffage de X sur le plot de contact 8. Il est associé à des potentiels Vg(X/Au) et Vsat (X/Au) décalés de la tension seuil Vd de la diode soit Vg(X/Au)+Vd et Vsat (X/Au) +Vd noté 801 sur la courbe. La courbe 802 décrit le voltammogramme pour le greffage de X sur la zone annulaire 5 pour former le joint d'étanchéité sous la forme du second film 7. Ce greffage est associé aux potentiels Vg(X/Si) et Vsat(X/Si) noté 803 sur la courbe. La courbe 804 décrit le voltammogramme pour le greffage de X sur la membrane 104. Il est associé à des potentiels Vg(X/Si) et Vsat(X/Si), décalés par le seuil de la diode, soit Vg(X/Si)+ Vd et Vsat(X/Si)+ Vd noté 805 sur la courbe.
La première garniture A sous la forme d'un film 10 est réalisée sur l'ensemble des plots de contact 8 en polarisant l'électrode commune 106b au potentiel 801 Vsat (A/Au) +Vd. Ce potentiel n'est pas suffisant pour déclencher la garniture par A des zones implantées 5 en silicium car V(X/Au)+Vd est inférieur à V(X/Si). Les garnitures des membranes 104 en silicium sont également hors d'atteinte d'autant plus à cause de la présence de la diode.
B 14223 GB La seconde garniture B est réalisée sur l'ensemble des zones implantées 5 sous la forme d'un film 7 formant joints d'étanchéité 7 en portant l'électrode commune 106b au potentiel 803 Vsat(B/Si). La membrane 104 n'est pas garnie à cause de la présence de la diode. Le plot de contact 8 n'est pas affecté par l'opération car il a été saturé par la garniture A.
La troisième garniture C sous la forme du premier film 4 est réalisée sur l'ensemble des membranes 104 en portant l'électrode commune 106b au potentiel 805 Vsat(C/Si)+ Vd correspondant au potentiel nécessaire à la garniture C sur le silicium augmenté du seuil de la diode citée ci-dessus. La zone annulaire 5 ainsi que les plots de contacts 8 ne sont pas affectés par l'opération.
Pendant ces trois opérations, l'autre 'électrode commune 106c est maintenue à un potentiel nul. La garniture des contacts 12 se fait séparément à partir d'une garniture A. Elle peut également être effectuée simultanément au dépôt de la première garniture A en utilisant une source supplémentaire permettant de porter la seconde électrode commune 106c au potentiel Vsat (A/Au) .
Pour la formation d'une garniture donnée, la polarité du générateur est déterminée par la nature des monomères en solution. C'est elle qui détermine le choix de l'orientation de la diode 508 (figure 7) formée par la jonction np de façon à ce que celle-ci soit polarisée dans le sens passant pour qu'un courant électrochimique puisse circuler une fois que le seuil de conduction de la diode 508 est franchi. Il est donc
B 14223 GB nécessaire que les garnitures A et C soient associées à des potentiels de même polarité.
La garniture A correspond par exemple à une couche de PBMA dopé avec des sels d'argent, d'environ 0,5 μm d'épaisseur.
La garniture B correspond par exemple à une couche de Poly Butyl MéthAcrylate (PBMA) .
La garniture C correspond par exemple à une couche de poly- (PEG-diméthacrylate) d'environ 0,5 μm d'épaisseur.
Ces couches sont formées dans des bains de butyle méthacrylate et de PEG diméthacrylate, respectivement, dans la diméthyl formamide (DMF) en présence de perchlorate de tétraethyl ammonium comme électrolyte support. Ces trois garnitures sont associées à des polarités négatives ce qui est cohérent avec l'exemple d'implantation donnée pour la microstructure 1 de la figure 9.
Possibilité de tests des microstructures
Pour éviter le recours à des implantations de la couche 102, on peut aussi réaliser la zone annulaire 5 conductrice autour de la membrane 104 par dépôt d'une couche d'un autre matériau conducteur de l'électricité (comme par exemple le cuivre) différent, au sens d'une réaction électro-initiée, de l'or et du silicium utilisés pour les contacts 8 et la membrane 104 respectivement, afin de sélectivement obtenir les trois fonctionnalisations différentes. La configuration décrite en relation avec la figure 9 quand le dopage n'est pas utilisé pour réaliser la zone annulaire ou la configuration de la
B 14223 GB figure 5, rendent difficile le test des microstructures
1 avant découpe de la plaquette 100 : ce test ne peut se faire que si les couches supérieures 102 des microstructures 1 sont électriquement isolées les unes des autres, les parties , inférieures 15 étant par construction reliées entre elles sur une plaquette 100.
La mise en œuvre suivante permet de répondre à ce besoin. La connexion des différentes couches supérieures 102 des microstructures 1 à l'électrode commune 106b se fait via le plot dit plot d'électrode
29 réalisé sur une implantation 5 de dopage de type opposé à celui de la partie supérieure 102. La diode ainsi créée est choisie de manière à être passante lors des différentes opérations de garniture. La configuration de la figure 9 possède directement cette propriété, le plot 29 pouvant être considéré comme un plot d'électrode.
Ainsi, pour ces différentes configurations comportant un plot d'électrode 29, lors d'une phase de test, on utilise une configuration électrique permettant de maintenir entre l'électrode commune 106b pour la configuration figure 9 et les membranes 104 une tension inverse permettant de bloquer les diodes. Le blocage des diodes a alors pour effet d' isoler électriquement les différentes membranes 104 d'une structure à l'autre.
De manière pratique, le test des différentes microstructures 1 présentes sur la plaquette 100 est réalisé à partir d'un circuit de mesure externe comportant différents points de mesure ou d'alimentation destinés à être reliés aux contacts 8 et 12 reliés chacun respectivement à une armatures d'une
B 14223 GB capacité formée entre les couches supérieures 102 et la couche inférieure 15. Le contact 8 est relié à l'armature 102 et le contact 12 à l'armature formée par la partie de couche 15 en regard de la couche 102. Les tensions sont mesurées par rapport à une référence choisie dans le circuit externe. Une tension supplémentaire, dites de polarisation, choisie en valeur absolue supérieure ou égale à toutes les autres tensions utilisées, est appliquée sur l'électrode 106b ou plus généralement sur le plot d'électrode 29. Son signe est opposé à celui utilisé pour l'opération de garniture : elle permet donc de bloquer les différentes diodes 508. Dans cette configuration, aucun courant ne circule entre les plots par l'intermédiaire du circuit de polarisation : le composant est fonctionnel et peut être testé ou utilisé normalement. L'application des tensions de test peut avoir lieu par l'intermédiaire d'un sabot de test.
En conclusion, les implantations peuvent donc être utilisées même sur la configuration de la microstructure décrite figure 5 ou quand de manière plus générale seule la sélectivité par les matériaux est utilisée, pour permettre le test des microstructures avant découpage de la plaquette.
Mise en œuvre pour un support d'interconnexion
La figure 11 décrit un substrat d'interconnexion 402 pouvant être utilisé pour l'assemblage mécanique et électrique individuel d'une microstructure 1 telle que décrite figure 9. La partie A représente une coupe transversale du support et la partie B une vue de dessus.
B 14223 GB L'exemple donné correspond à un support fonctionnellement identique au support utilisé pour réaliser un microsystème de mesure de pression tel que décrit figure 6. Ce support est réalisé de manière collective sur une plaquette de silicium 900 de type n permettant de garantir une conductivité minimum typique de 10 Ω.cm. Cette plaquette peut être amincie suivant les techniques connues ce qui permet d'obtenir une épaisseur typique inférieure à 100 μm. L'antenne 902 est réalisée par dépôt d'une couche d'or isolée du substrat principal 900 par une couche de silice 904. Quatre plots de contact 906 servent à connecter un ASIC 400 par exemple tel que décrit dans la figure 6. Les plots 908 sont utilisés pour la connexion électrique avec les plots 8, 12 de la microstructure 1 telle que représentée figure 9. Ces plots 908, 906 sont réalisés sur des implantations locales 910 de type p traçant également les pistes électriques du support 402. Un contact 916 est relié directement au substrat 900 sans dopage intercalaire. Le support comprend un évidement circulaire 405 obtenu par un usinage.
Dans cette configuration, le substrat conducteur 900 est utilisé comme électrode commune. Le dessous du substrat 900 comporte un dépôt métallique 918 permettant d'homogénéiser la résistance de l'électrode commune si la conductivité du substrat 900 n'est pas suffisante. La fonctionnalisation du support 402 par électrogreffage s'effectue au minimum en trois étapes pour déposer les garnitures A' et B' complémentaires de celles utilisées pour la microstructure 1 représenté figure 9.
B 14223 GB Dans une première étape, le potentiel appliqué permet de fonctionnaliser le plot 916 avec une garniture A' . La partie non dopée de la face de dessus du substrat 900 n'est pas affectée car le silicium demande un potentiel plus élevé. La partie dopée 910 et les contacts 906 et 908 sont en plus protégés par la diode entre le substrat 900 et la partie implantée 910. Dans une seconde étape, une garniture A' est réalisée sur les contacts 908 et 916. Cette étape requiert un potentiel plus élevé à cause de la diode. La partie non dopée de la face de dessus du substrat 900 n'est pas affectée car le greffage sur silicium requiert un potentiel plus élevé que le potentiel de greffage sur l'or augmenté du décalage de la diode. Dans une troisième étape, le potentiel appliqué permet de fonctionnaliser le reste de la face de dessus du substrat 900 avec une garniture B' . La partie dopée 910 et les contacts 906 et 908 sont protégés par la diode . L'orientation des diodes est déterminée par la polarité de la garniture A' . Dans notre exemple, cette polarité est négative. Il est possible lors d'une quatrième étape de recouvrir les zones dopées 910 pour finir l'isolation du support. Dans notre exemple, A' est choisi identique à A et B' identique à B.
Le plot 916 est utilisé pour polariser positivement dans l'exemple donné le substrat à partir d'une tension fournie par l'ASIC 400. Cette tension, par exemple la tension maximum d'alimentation utilisée dans le composant électronique 400 pour la polarisation des transistors, permet de garantir l'isolation électrique entre les différents contacts 906 et 908 en
B 14223 GB cours de fonctionnement du microsystème. Il a été vérifié que la présence des diodes supplémentaires ne modifie pas la fonctionnalité du microsystème tel que décrit au dessus, y compris dans les phases transitoires .
L'ASIC 400 peut également, lorsque la compatibilité des technologies le permet, être directement réalisé sur la couche 900 du support 402 pour éviter une interconnexion supplémentaire.
Produit obtenu
La figure 12 est une coupe schématique d'un microsystème 200 réalisé par l'assemblage d'un support 402 tel que décrit sur la figure 11 après fonctionnalisation avec une microstructure 1 telle que décrite sur la figure 9 après fonctionnalisation et un composant électronique classique 400 assemblé par wire- bounding .
L'ASIC 400 est relié au support 402 par des fils d'or 1010 thermosoudés (wire-bounding classique) comme indiqué sur la figure. Cette opération peut également être réalisée par flip-chip classique. La microstructure 1 est assemblée sur le support 402 par légère compression et chauffage pour permettre la thermofusion des garnitures en regard. L'assemblage se fait via les garnitures 10, 14 des contacts 8, 12 respectivement de la microstructure 1 et les garnitures correspondantes du support déposées sur les plots 908. Ceci permet d'établir les contacts électriques en 1006. L'assemblage se fait aussi via la garniture 7 de la zone annulaire 5 de la microstructure 1 et la garniture correspondante du substrat 900 du support 402 autour de
B 14223 GB l'ouverture 405. Ceci permet d'établir un joint d'étanchéité en 1008. La face arrière du composant est noyée dans une résine 1012. On peut vérifier que dans cette configuration, la partie électrique du microsystème est effectivement isolée du milieu environnant alors que la membrane 104 de la microstructure 1 est en contact avec ce dernier via la garniture 4.
Méthode pour assembler un ASIC
Pour des soucis d'homogénéité du procédé, il peut être avantageux d'utiliser la même technique d'interconnexion électrique pour l'ASIC 400 associé à la microstructure 1 d'un microsystème. A cause de la rugosité de la surface d'un tel composant, il est difficile d'utiliser un composant standard sans des opérations supplémentaires de traitement de surface pour préparer l'assemblage. La figure 13 décrit une autre approche qui repose sur les technologies connues de "chip size package". Ces technologies utilisent une plaquette intermédiaire 1100 collée à une plaquette active 1102 comportant les ASICs 400 par wafer-bounding pour fournir une nouvelle couche d'interface avec l'extérieur. Le premier objectif connu de l'utilisation d'une telle technique est de transformer des plots de contacts 1104 de faible dimension en des plots standards 1110 et de fournir un boîtier intégré. Différentes solutions connues existent pour effectuer ce type de composant. La référence 7 décrit par exemple comment réaliser de manière collective le capot silicium 1100 au dessus du composant 1102 en reportant
B 14223 GB les contacts 1104 du composant à la surface du capot en 1110.
Il est possible de greffer les garnitures nécessaires pour l'assemblage du composant sur cette seconde plaquette 1100 en utilisant les mêmes principes que ceux décrit pour le support d'interconnexion 402. L'électrode commune est réalisée par le substrat 1100 et des implantations locales 1108 permettent d'assurer l'isolation entre contacts 1110 lorsque le substrat est porté au potentiel adéquat par l'intermédiaire du contact 1112. Pour des raisons de tenue en température, il est préférable de réaliser le traitement après l'assemblage des deux plaquettes 1102 et 1100.
L'intérêt de cette mise en œuvre est alors de fournir une solution alternative pour l'ASIC '400 à l'assemblage par billes fusibles, de mise en œuvre facile (faible température d'assemblage, pas de problème de nettoyage de la surface après l'opération, en particulier pour éliminer le flux présent dans les billes fusibles, ...) et permettant d'augmenter la densité de contacts.
Produit obtenu
La figure 14 est une coupe schématique transversale d'un microsysteme 200 réalisé par l'assemblage d'un support d'interconnexion 402, tel que décrit sur la figure 11, après fonctionnalisation, avec une microstructure 1, tel que décrit sur la figure 9, après fonctionnalisation, et un ASIC 400 tel que décrit sur la figure 13, après fonctionnalisation.
L'assemblage de la microstructure 1 sur le support d'interconnexion 402 est identique à ce qui a
B 14223 GB été décrit en liaison avec la figure 12. L'assemblage de l'ASIC 400 tel que représenté figure 13 est réalisé par l'intermédiaire de garniture déposée sur les plots 1110 de l'ASIC 400 et de garniture déposée sur les plots 906 du support 402 disposés en regard les uns des autres. La garniture respectivement des plots de l'ASIC 400 et des plots du support 402 sont de type A et A' , thermofusible conductrice.
B 14223 GB DOCUMENTS CITES [1] Development of a completely encapsulated intraocular pressure sensor, Walter P. et al, Ophthalmic Research (2000), 32, p 278-284.
[2] Microfluidic plastic capillaries on silicon substrates : a new inexpensive technology for bioanalysis chips, P. F. Man et al, présenté à la conférence MEMS 1997, Jan. 26-30 1997, Nagoya, Japan. [3] Delamarche E., Michel B., Gerber Ch.,
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Claims

REVENDICATIONS
1. Microstructure électromécanique 1 comprenant une première partie appelée partie mécanique 102 réalisée dans un premier matériau conducteur de l'électricité, et qui comprend d'une part une zone déformable de manière élastique 104 ayant une valeur d'épaisseur et une surface exposée 2, et d'autre part un premier film organique 4 ayant une épaisseur, présent sur l'ensemble de la surface exposée 2 de la dite zone déformable 104, caractérisé en ce que l'épaisseur du premier film 4 est telle que la réponse élastique de la zone déformable 104 munie du premier film 4 ne change pas de plus de 5% par rapport à la réponse de la zone déformable nue 104 ou en ce que l'épaisseur du premier film 4 est inférieure à dix fois l'épaisseur de la zone déformable 104.
2. Microstructure électromécanique 1 selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'épaisseur du premier film 4 est telle que la réponse élastique de la zone déformable 104 munie du premier film 4 ne change pas de plus de 1%.
3. Microstructure électromécanique 1 suivant l'une des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que le premier film 4 est constitué d'un film organique lié de façon covalente à la surface exposée 2 de la zone déformable 104.
4. Microstructure électromécanique 1 suivant la revendication 3, caractérisée en ce que le premier film 4 est constitué d'une couche d'une molécule de longueur fixe liée de manière covalente à la surface exposée 2 de la zone déformable 104 et en ce que le premier film
B 14223 GB 4 est réalisé dans une matière qui peut être déposée à partir d'une réaction électro-initiée.
5. Microstructure électromécanique 1 suivant la revendication 4, caractérisée en ce que le taux de couverture de la surface exposée 2 par le premier film 4 est supérieur à 60%.
6. Microstructure électromécanique 1 suivant la revendication 4, caractérisée en ce que le taux de couverture de la surface exposée 2 par le premier film 4 est supérieur à 90%.
7. Microstructure électromécanique 1 suivant l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte à la surface de la partie mécanique 102, une zone annulaire 5, entourant la surface exposée 2, ayant elle-même une surface 6 et réalisé dans un deuxième matériau conducteur de l'électricité, différent au sens de la réaction électro- initiée du premier matériau de la partie mécanique 102, et en ce qu'un deuxième film organique 7 est présent sur la surface 6 de la dite zone annulaire 5, ce deuxième film 7 étant un film réalisé dans une matière pouvant être déposée à partir d'une réaction chimique électroinitiée .
8. Microstructure électromécanique 1 suivant l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que le premier matériau constituant la partie mécanique 102 est un semi -conducteur dopé et en ce qu'elle comporte à la surface de la partie mécanique 102, une zone annulaire 5, entourant la surface exposée 2, ayant elle-même une surface 6 et réalisé dans un deuxième matériau réalisé par dopage de type opposé à celui du premier matériau et en ce qu'un deuxième film organique
B 14223 GB 7 est présent sur la surface 6 de la dite zone annulaire 5, ce deuxième film 7 étant un film réalisé dans une matière pouvant être déposée à partir d'une réaction chimique électro-initiée.
9. Microstructure électromécanique 1 suivant l'une des revendications 7 à 8, caractérisée en ce que la partie mécanique 102 comporte un ou plusieurs plots de contact 8 sur une position extérieure à la zone annulaire 5.
10. Microstructure électromécanique 1 suivant la revendication 7, caractérisée en ce que la partie mécanique 102 comporte un ou plusieurs premiers plots de contact 8 ayant une surface 9 réalisés dans un troisième matériau, différent au sens de la réaction électro- initiée des premier et deuxième matériaux, sur une position extérieure à la zone annulaire 5 et en ce qu'un troisième film organique 10 est présent à la surface 9 des premiers plots de contact 8, ce troisième film 10 étant un film réalisé dans une matière pouvant être déposée à partir d'une réaction chimique électroinitiée .
11. Microstructure électromécanique 1 suivant la revendication 8, caractérisée en ce que la partie mécanique 102 comporte un ou plusieurs premiers plots de contact 8 ayant une surface 9 réalisés dans un troisième matériau, différent au sens de la réaction électro-initiée du premier matériau, sur une position extérieure à la zone annulaire 5 et en ce que un troisième film organique 10 est présent à la surface 9 des premiers plots de contact 8, ce troisième film 10 étant un film réalisé dans une matière pouvant être
B 14223 GB déposée à partir d'une réaction chimique électroinitiée .
12. Microstructure électromécanique 1 selon l'une des revendications 10 à 11, caractérisée en ce qu'elle comporte une deuxième partie 11 conductrice de l'électricité, isolée électriquement et mécaniquement solidaire de la partie mécanique 102 comportant un ou plusieurs deuxièmes plots de contact 12 ayant une surface 13 réalisés dans un matériau différent au sens de la réaction électro-initié du matériau constitutif de la deuxième partie 11 et en ce que un quatrième film organique 14 est présent à la surface 13 des deuxièmes plots de contact 12, ce quatrième film 14 étant un film réalisé dans une matière pouvant être déposée à partir d'une réaction chimique électro-initiée.
13. Microstructure électromécanique 1 selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle comporte une troisième partie 15, mécaniquement solidaire des première et deuxième parties mécanique 102 et 11, isolée électriquement de la première partie mécanique 102, réalisée dans un matériau conducteur de l'électricité et en ce que la deuxième partie et la troisième partie sont électriquement reliées.
14. Microstructure électromécanique 1 selon la revendication 12, caractérisée en ce que la première partie 102 est constituée par une première couche de silicium, et en ce que les première et deuxième parties 102 et 11 sont solidaires d'une même couche isolante 16.
15. Microstructure électromécanique 1 selon la revendication 13, caractérisée en ce que la première partie 102 est constituée par une première couche de
B 14223 GB silicium monocristallin, et en ce que les première et deuxième parties 102 et 11 sont solidaires d'une même couche isolante 16 et en ce que la troisième partie 15 est constitué par une deuxième couche de silicium sur lequel repose la dite couche isolante 16.
16. Microstructure électromécanique 1 selon l'une des revendications 14 ou 15, caractérisée en ce que la couche isolante 16 comporte un évidement 18 situé immédiatement sous la zone déformable 104.
17. Microstructure électromécanique 1 suivant l'une des revendications 1 à 7 ou 10, caractérisée en ce que le premier matériau constituant la partie mécanique 102 est un semi -conducteur dopé et en ce qu'un dopage de type opposé à celui du premier matériau définit un plot d'électrode 19 à la surface de la partie mécanique 102 en dehors de la surface exposée 2.
18. Microstructure électromécanique 1 suivant l'une des revendications 1 à 17, caractérisée en ce que le premier film organique 4 est dans un matériau tel que la surface exposée 2 de la zone déformable 104 couverte de ce film 4 présente des fonctions de biocompatibilité, de non cyto-toxicité et/ou d' antiadhésion ou anti-prolifération cellulaire.
19. Microstructure électromécanique 1 suivant l'une des revendications 7 à 17, caractérisée en ce que le deuxième film 7 est une film présentant des fonctions de biocompatibilité et de non cyto-toxicité.
20. Capteur de pression incorporant une microstructure électromécanique 1 suivant l'une des revendications 1 à 19.
21. Plaquette 100 comportant un ensemble de microstructures 1 selon l'une des revendications 1 à 7
B 14223 GB ou selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comporte une première électrode commune 106a reliant électriquement toutes les parties mécaniques 102 entre elles.
22. Plaquette 100 comportant un ensemble de microstructures 1 selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte une première électrode commune 106b reliant électriquement toutes les zones annulaires 5 entre elles et en ce que la polarité nécessaire pour électro-initier le premier film 4 correspond au sens passant de la diode créée par le dopage dans le sens zone annulaire 5 vers zone déformable 104 de la partie mécanique 102.
23. Plaquette 100 comportant un ensemble de microstructures 1 selon la revendication 8 ou la revendication 11, caractérisée en ce que qu'elle comporte une première électrode commune 106a reliant électriquement toutes les parties mécaniques 102 entre elles et en ce que la polarité nécessaire pour électro- initier le deuxième film 7 correspond au sens passant de la diode créée par le dopage dans le sens de la zone déformable 104 vers la zone annulaire 5 de la partie mécanique 102.
24. Plaquette 100 comportant un ensemble de microstructures 1 selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle comporte une première électrode commune 106b reliant électriquement toutes les zones annulaires 5 entre elles et en ce que la polarité nécessaire pour électro-initier les premier et troisième films 4 et 10 est identique et correspond au sens passant de la diode créée par le dopage dans le
B 14223 GB sens zone annulaire 5 vers la zone déformable 104 de la partie mécanique 102.
25. Plaquette 100 comportant un ensemble de microstructures 1 selon l'une des revendications 12 à 13, caractérisée en ce qu'elle comporte une première électrode commune 106a reliant électriquement toutes les parties mécaniques 102 entre elles et une deuxième électrode commune 106c réalisée en surface de la plaquette 100 reliant électriquement toutes les deuxièmes parties 11.
26. Plaquette 100 comportant un ensemble de microstructures 1 selon la revendication 17, caractérisée en ce qu'elle comporte une première électrode commune 106d reliant électriquement toutes les plots d'électrodes 19 et en ce que la polarité nécessaire pour électro-initier les films organiques 4, 7, 10 correspond au sens passant de la diode créée par le dopage dans le sens du plot d'électrode 19 vers la partie mécanique 102.
27. Microsystème 200 caractérisé en ce qu'il comporte une microstructure électromécanique 1 selon l'une des revendications 1 à 6, assemblée électriquement face avant retournée sur un support d' interconnexion 402 comprenant une ouverture débouchante 405 en regard de la partie déformable 104 de la microstructure 1.
28. Microsystème 200 caractérisé en ce qu'il comporte une microstructure électromécanique 1 selon l'une des revendications 7 à 9, assemblée électriquement face avant retournée sur un support d'interconnexion 402 comprenant une ouverture débouchante 405 en regard de la zone déformable 104 de
B 14223 GB la microstructure 1, le film 7 de la zone annulaire 5 de la microstructure 1 étant dans une matière isolante thermofusible et venant en contact avec un substrat 900 du support 402 pour réaliser un joint d'étanchéité 1008 autour de la zone déformable 104 de la microstructure 1.
29. Microsystème 200 caractérisé en ce qu'il comporte une microstructure électromécanique 1 selon l'une des revendications 10 à 13, assemblée électriquement face avant retournée sur un support d'interconnexion 402 comprenant une ouverture débouchante 405 en regard de la zone déformable 104 de la microstructure 1, le film 7 de la zone annulaire 5 de la microstructure 1 étant dans une matière isolante thermofusible et venant en contact avec un substrat 900 du support 402 pour réaliser un joint d'étanchéité 7 autour de la zone déformable 104 de la microstructure 1, le film 10 ou 14 des plots de contact 8 ou 12 de la microstructure 1 étant dans une matière conductrice thermofusible et venant en contact de plots 908 du support 402 pour réaliser une connexion mécanique et électrique 10, 14 entre la microstructure 1 et le support 402.
30. Microsystème 200 selon la revendication 29 caractérisé en ce que des plots de contact 908 du support 402 comporte un film réalisé dans une matière thermofusible conductrice obtenue à partir d'une réaction électro- initié, ces plots recouverts venant en contact des films 10, 14 des plots de contact 8, 12 de la microstructure 1 pour assurer une connexion électrique et mécanique entre le support 402 et la microstructure 1 par thermosoudage .
B 14223 GB
31. Microsystème 200 selon l'une des revendications 28 à 30 caractérisé en ce qu'un substrat 900 du support 402 comporte un film réalisé dans une matière thermofusible isolante obtenue à partir d'une réaction électro-initié, une partie du substrat 900 recouvert venant en contact du film 7 de la zone annulaire 5 de la microstructure 1 pour former un joint d'étanchéité 1008 autour de la zone déformable 104 de la microstructure 1 par thermosoudage.
32. Microsystème 200 selon l'une des revendications 27 à 31 caractérisé en ce que le support 402 est réalisé à partir d'une plaquette en silicium, et en ce qu'il comporte un antenne de couplage 902 connectée à un composant électronique dédié 400 lui- même assemblé sur le support 402.
B 14223 GB
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