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

1. Étude d'un procédé d'encapsulation sous vide sur tranche de microsystèmes électromécaniques S. Lani, A. Bosseboeuf, X. Leroux, B. Belier, D. Bouville, W. De Marcillac Institut d’Électronique Fondamentale, UMR8622 Université Paris XI

2. Plan d’étude • Pourquoi? • Le procédé d’assemblage de substrats par soudure eutectique • Le film getter • Les connections électriques • Conclusion et perspectives

3. Connexions électriques Capot Soudure Getter Cavité Microsystème Substrat Séparation des puces Pourquoi? • Assemblage de substrats => collectif • Protection contre l’environnement • Amélioration des performances des systèmes encapsulés • Contrôle et test intégré

4. Or Barrière de diffusion 100 à 300nm Couche d’adhésion Barrière électrique Pt ou Ni : 10 à 30nm (facultatif) Ti : 10nm Substrat SiO2 : 500nm (facultatif) Si : 500 µm Le procédé d’assemblage de substrats par soudure eutectique • Choix des matériaux : • Alliage eutectique Au-Si (19% de Si, Tf=363°C) • Couches étudiés

5. Au (film) 0 min Annealing time (380°C) Top surface 20 min 40 min 60 min Annealing time (430°C) 430°C 20 min 40 min Si (surface) 60 min Si (bulk) 380°C Ti (film) Ti (film) Au Ti surface Si surface Si (bulk) Si (SiO2) Ti Le procédé d’assemblage de substrats par soudure eutectique • Choix des matériaux : • Alliage eutectique Au-Si (19% de Si, Tf=363°C) • Couches étudiés • Caractérisation des couches recuites (RBS, résistivité, RX, rugosité rms) Spectre RBS des empilements Au/Ti/SiO2/Si Spectre RBS des empilements Au/Ti/Si

6. Le procédé d’assemblage de substrats par soudure eutectique • Déterminations des conditions expérimentales pour la soudure • Bonder : EVG-501 • T°C : 380°C à 450°C • Temps de soudure : 15min à 120min • Pression résiduelle : 10-3 mBar • Pression appliquée : 1500 à 3500N Empilement Au/Ti/SiO2/Si • Au/Ti => scellement peu adhérent • Au/Ti/SiO2 & Au/Pt/Ti => scellement très adhérent • Au/Ni/Ti => non scellé Empilement Au/Ti/Si

7. Le procédé d’assemblage de substrats par soudure eutectique • Assemblage de cavités sous vide Substrat avec cordons en Au/Ti/SiO2 Image IR de 2 substrats alignés, après soudure eutectique Cordon Cavité Défaut d'alignement (imagerie IR) Capot réalisé par gravure KOH

8. Pressionatmosphérique Capot Vide Substrat Le procédé d’assemblage de substrats par soudure eutectique • Caractérisation de l’assemblage Vide résiduel mesuré par profilométrie optique : 5.10-2 mBar Déflexion en fonction de la pression externe du capot en silicium

9. Étude d’un film getter • Pression stable dans le temps (10 à 20 ans) • Pression dans la cavité plus faible (10-4 mBar) Image de cavités dans un substrat de silicium intégrant un film getter et encapsulées avec un substrat de verre Quantité d’oxygène incorporé dans le film getter en fonction de la température de recuit mesuré par spectrométrie RBS

10. Réalisations des connections électriques • Vias (gravure RIE profonde) Vue en coupe d’une matrice de vias Vue en coupe d’un via

11. Réalisations des connections électriques • Métallisation des vias • Dépôt par pulvérisation cathodique d’une couche métallique • Dépôt électrochimique de cuivre (partiel) Au Micro analyse X en coupe sur des échantillons métallisés Si

12. Réalisations des connections électriques SiO2 Si Si Au Au/Si Si O Micro analyse X en coupe sur des échantillons assemblés par soudure eutectique Cordon adapté aux besoins

13. Conclusion et perspectives • Conclusion • Réalisation de cavités sous vide • Mise en place d’un getter • Développement de connections électriques • Perspectives • Encapsulation d’un microsystème dans la cavité (en cours) • Getter : mesure de la pression interne (à l’aide d’un microsystème) • Via : caractérisation de la résistivité de la connection