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FR2764034A1 - Vanne miniature et son procede de fabrication - Google Patents

Vanne miniature et son procede de fabrication Download PDF

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FR2764034A1
FR2764034A1 FR9706613A FR9706613A FR2764034A1 FR 2764034 A1 FR2764034 A1 FR 2764034A1 FR 9706613 A FR9706613 A FR 9706613A FR 9706613 A FR9706613 A FR 9706613A FR 2764034 A1 FR2764034 A1 FR 2764034A1
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silica
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Abstract

La vanne comprend a) un substrat (1), b) une charge d'un matériau combustible disposée sur le substrat en regard d'un passage à ouvrir à travers celui-ci, c) une résistance électrique (24) placée sur une zone amincie du substrat (1) au contact de la charge combustible (5) de manière que l'alimentation de ladite résistance (24) avec une énergie électrique prédéterminée assure la combustion de la charge et l'ouverture dudit passage, par rupture locale de ladite zone amincie dudit substrat (1) sous la pression des gaz de combustion de la charge. La zone amincie du substrat (1) qui porte ladite résistance (24) électrique (2) est constituée d'au moins une première couche (221 ) en silice et d'une deuxième couche (231 ), superposée à la première, en nitrure de silicium, préférablement enrichi en silicium.

Description

La présente invention est relative à une vanne miniature et à son procédé de fabrication.
On décrit dans la demande de brevet français 96 14230, déposée le 21 novembre 1996 par la demanderesse, une vanne miniature représentée schématiquement à la figure 1 du dessin annexé. Cette vanne comprend essentiellement un substrat 1 présentant typiquement une surface de quelques mm2, une charge 5 d'un matériau combustible, disposée sur le substrat en regard d'un passage à ouvrir à travers celui-ci, une résistance électrique 2 placée sur une zone amincie 8 du substrat 1 au contact de la charge combustible 5 de manière que l'alimentation de ladite résistance 2 avec une énergie électrique prédéterminée assure la combustion de la charge 5 et l'ouverture dudit passage, par rupture locale de la zone amincie 8 du substrat 1 sous la pression des gaz de combustion de la charge 5. La résistance 2, filiforme, est raccordée par des contacts métalliques 3,4 à un circuit imprimé 7 sur lequel elle est fixée, ce circuit étant percé d'un trou 9 obturé par une couche 10 d'un produit qui, dans l'application décrite dans la demande de brevet précitée à l'administration transdermique de médicament, peut être un hydrogel à charger avec une solution d'un principe actif contenu dans une poche communiquant avec un cratère 6 traversant le substrat 1.
Un joint 11 entoure le substrat 1 pour assurer, à la fois, la fixation de ce substrat sur le circuit 7 et l'étanchéité de l'espace dans lequel est contenue la charge 5.
Le passage d'un courant électrique dans la résistance provoque, par effet Joule, un dégagement de chaleur qui enflamme la charge 5, de la nitrocellulose par exemple. La combustion de la nitrocellulose provoque un dégagement de gaz qui accroît la pression subie par la zone amincie 8, qui prend la forme d'une membrane de quelques um d'épaisseur. Cette membrane se brise alors en ouvrant un passage entre la poche contenant la solution de principe actif et la couche 10 d'hydrogel qui se charge alors avec cette solution pour constituer un "réservoir" de cette solution, dans un appareil d'administration transdermique de médicament comprenant des moyens permettant de déclencher sélectivement "1 'hydratation" dudit réservoir.
Suivant un mode de réalisation de la vanne décrite dans la demande de brevet français précitée, le substrat prend la forme d'une puce de silicium et la zone amincie 8, ou membrane, de support de la résistance 2, est essentiellement constituée de silice, obtenue par oxydation du silicium du substrat, la silice présentant les propriétés diélectriques nécessaires à l'isolation électrique de la résistance.
La zone amincie, ou membrane, ainsi constituée, doit assurer un bon confinement dans la charge combustible de la chaleur dégagée par la résistance 1, de manière à minimiser l'énergie requise pour enflammer cette charge.
La puce dont fait partie cette membrane doit aussi pouvoir être fabriquée industriellement en grande quantité, par des techniques de microphotolithographie bien connues dans la fabrication des circuits intégrés par exemple, avec un faible taux de malfaçon pour assurer la validité économique d'une telle fabrication.
A cet égard, on a rencontré des difficultés avec une membrane en silice. On a pu observer l'existence, dans une telle membrane, d'une contrainte de compression supérieure à 0,1 GPa. Une telle contrainte peut provoquer une forte déformation de la membrane. A titre d'exemple, on a pu observer et mesurer une flèche de 40 um sur une membrane de 1 um d'épaisseur. Une telle déformation peut provoquer une rupture de la membrane. Il s'ensuit un fort taux de malfaçon dans une fabrication industrielle de masse.
La présente invention a pour but de réaliser une vanne miniature du type décrit en préambule de la présente description, qui puisse être fabriquée industriellement avec un taux de malfaçon très faible, voire nul.
La présente invention a aussi pour but de réaliser une telle vanne miniature qui fonctionne avec une faible consommation d'énergie.
La présente invention a encore pour but de fournir un procédé de fabrication de telles vannes miniatures.
On atteint ces buts de l'invention ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec une vanne miniature du type comprenant a) un substrat, b) une charge d'un matériau combustible disposée sur le substrat en regard d'un passage à ouvrir à travers celui-ci, c) une résistance électrique placée sur une zone amincie du substrat au contact de la charge combustible de manière que l'alimentation de ladite résistance avec une énergie électrique prédéterminée assure la combustion de la charge et l'ouverture dudit passage, par rupture locale de ladite zone amincie dudit substrat sous la pression des gaz de combustion de la charge, cette vanne miniature étant remarquable en ce que ladite zone amincie dudit substrat qui porte ladite résistance électrique est constituée au moins d'une première couche en silice et d'une deuxième couche, superposée à la première, en nitrure de silicium.
Suivant un mode de réalisation préféré de la présente invention, la deuxième couche est constituée de nitrure de silicium enrichi en silicium. Comme on le verra plus loin, le couplage d'une couche de silice et d'une couche de nitrure de silicium enrichi en silicium abaisse très considérablement le taux de malfaçon évoqué ci-dessus par rapport à ceux observés lorsque la zone amincie est constituée seulement d'une couche de silice.
Pour réaliser une telle vanne miniature, l'invention fournit un procédé de fabrication suivant lequel a) on recouvre une face sensiblement plane d'un substrat en matériau semi-conducteur avec une couche de silice, b) on recouvre ladite couche de silice avec une couche de nitrure de silicium, c) on forme sur ladite couche de nitrure de silicium une résistance électrique, d) on creuse le substrat par gravure à partir de la face du substrat opposée à celle qui porte ladite résistance, jusqu'à ladite couche de silice et, e) on dépose une charge combustible par dessus la résistance électrique.
De préférence, à l'étape b) précitée, on forme une couche de nitrure de silicium enrichi en silicium, par dépôt en phase vapeur à basse pression à partir d'hydrure de silicium et d'ammoniac, à 750 C environ.
Au dessin annexé donné seulement à titre d'exemple
- la figure 1 est une représentation schématique de la vanne miniature décrite à la demande de brevet précitée, déjà évoquée en préambule de la présente description, et
- les figures 2A à 2E illustrent un procédé de fabrication de la vanne miniature suivant la présente invention.
On se réfère à la figure 2 du dessin annexé pour décrire ce procédé de fabrication. La structure de la vanne suivant l'invention est très semblable à celle de la vanne miniature décrite dans la demande de brevet précitée, à l'exception de la structure de la zone amincie 2, comme cela ressortira de la description qui va suivre des diverses étapes du procédé de fabrication illustrées par les figures 2A à 2E.
Suivant ce procédé, on part d'une puce de silicium, généralement plane, constituant le substrat 1. On forme sur chacune des deux faces opposées de la puce une couche de silice 221,222 respectivement (voir figure 2A), par exemple par oxydation thermique du silicium à 1150 C en atmosphère humide. L'épaisseur de la couche de silice est typiquement comprise entre 0,5 et 1,5 um.
Comme on l'a vu plus haut, on observe dans une telle couche de silice déposée sur un substrat de silicium une contrainte de compression (de l'ordre de 0,27 GPa) susceptible de déformer et de briser la couche, là où celle-ci est privée de son support de silicium comme c'est le cas dans la zone amincie 8 (voir figure 1).
Suivant la présente invention, on compense sensiblement les effets de l'existence de cette contrainte de compression en couvrant la couche de silice avec une couche de nitrure de silicium dans laquelle on observe la présence d'une contrainte de tension. En combinant les effets de ces contraintes contraires, on peut abaisser la contrainte résiduelle s'exerçant dans la zone amincie 8, jusqu'à un niveau de contrainte non susceptible de déformer ou de rompre cette zone pendant la fabrication de la vanne miniature, ce niveau étant typiquement inférieur à + 0,1 GPa, les signes + et étant attachés à des contraintes de tension et de compression respectivement. Ce résultat peut être obtenu en ajustant convenablement les épaisseurs des deux couches à l'aide de la relation
#r = eox # #ox + enit # #nit
eex + enit où #r, #ox, #nit sont, respectivement, la contraite résiduelle dans la zone amincie, la contrainte compression dans la couche de silice et la contrainte de tension dans la couche de nitrure de silicium, et e,, et les épaisseurs respectives des couches de silice et de nitrure de silicium.
Les contraintes mentionnées ci-dessus peuvent être mesurées à partir des déformations subies par une plaquette de silicium de 7,5 x 7,5 cm du fait du dépôt sur celle-ci d'une des couches mises en jeu.
A l'étape du procédé selon l'invention illustrée à la figure 2B, on forme donc sur les couches 221,222 de silice, des couches 231,232 respectivement de nitrure de silicium.
Celui-ci peut être du nitrure de silicium stoechiométrique Si3N4. La couche de Si3N4 peut être formée par dépôt en phase vapeur à basse pression à 7500C environ à partir de dichlorosilane SiH2Cl2 et d'ammoniac.
On a relevé dans une telle couche des contraintes de tension de l'ordre de 1,2 GPa propres à compenser la contrainte de compression régnant dans la couche de silice adjacente. Cependant, le niveau élevé de cette contrainte est responsable d'une adhérence médiocre de la couche de Si3N4 sur la couche de silice, qui affecte défavorablement le taux de malfaçon observé sur une fabrication de masse.
Suivant la présente invention, on améliore considérablement le taux de malfaçon observé en remplacement la couche de nitrure de silicium stoechiométrique par une couche de nitrure de silicium SiN1 dopée en silicium, x étant inférieur à 1,33. La contrainte de tension (0,6
GPa) observée dans une telle couche est plus faible que celle observée dans le nitrure de silicium stoechiométrique, ce qui permet d'éliminer le problème d'adhérence évoqué ci-dessus et de porter le taux de malfaçon à un niveau très faible, voire nul.
La formation d'une telle couche de nitrure de silicium enrichi en silicium peut être obtenue par dépôt en phase vapeur à basse pression, à 7500C environ, à partir d'hydrure de silicium SiH4 et d'ammoniac.
Suivant un mode de réalisation préféré de la présente invention, on choisi x = 1,2 environ. La composition de SiN1,2 peut être déduite d'une mesure de l'indice de réfraction de la couche par ellipsométrie, à 830 nm.
Après avoir ainsi déposé sur chacune des faces du substrat une couche de silice et une couche de nitrure de silicium, préférablement enrichi en silicium, présentant des épaisseurs prédéterminées à la lumière des considérations présentées ci-dessus, le procédé de fabrication suivant l'invention se poursuit par la formation, sur l'une des faces du substrat, d'une résistance filiforme 24 (voir figure 2C) réalisée classiquement par dépôt d'une couche de silicium polycristallin, puis gravure de cette couche pour délimiter ladite résistance. Celle-ci présente typiquement une section droite de 0,5 x 100 um et une longueur de 1,5 mm. Des contacts métalliques (non représentés) sont formés aux extrémités de la résistance pour permettre l'alimentation électrique de celle-ci, tout comme les contacts 3,4 de la vanne représentée à la figure 1. La résistance 24 ainsi formée est bien isolée par son support, la couche de nitrure de silicium, qui est un matériau diélectrique.
On forme ensuite sur l'autre face du substrat une fenêtre 25 dans les couches 222 et 232, par le procédé classique de masquage et de gravure au plasma de CF4 gazeux. Un cratère 6 analogue à celui représenté à la figure 1 est ensuite creusé à travers la fenêtre 25 à l'aide d'un produit de gravure anisotropique approprié, tel qu'un hydroxyde de tétraméthylammonium, voir figure 2D. La gravure est arrêtée par la couche de silice 221.
La résistance 24 est alors portée par une zone amincie, ou membrane, bi-couche suivant la présente invention (voir figure 2E).
La vanne miniature est ensuite complétée par le dépôt d'une charge de matériau combustible sur la résistance 24 puis montée sur un circuit imprimé, tout comme la vanne représentée à la figure 1.
On a réalisé des vannes à membrane bi-couche suivant l'invention selon trois configurations différentes, à savoir
1) une couche de silice de 1 um d'épaisseur, associée à une couche de Si3N4 de 0,22 um
2) une couche de silice de 0,5 um d'épaisseur associée à une couche de SiN1,2 de 0,22 um ;
3) une couche de silice de 1,4 um d'épaisseur associée, à une couche de SiN1,2 de 0,6 um ;
Si le taux de malfaçon observé avec la configuration 1 était encore substantiel, ce taux est tombé à 5 % et 0 % avec les configurations 2) et 3), respectivement.
Il apparaît ainsi que l'association d'une couche de silice et d'une couche de SiN1,2 permet bien d'atteindre le but essentiel de la présente invention, à savoir une production de vannes miniatures comportant une résistance miniature portée par une membrane de très faible épaisseur, par exemple comprise entre 0,7 et 2 um, la fabrication de cette membrane pouvant être pratiquée avec un taux de malfaçon très faible, voire nul.
Par ailleurs, les mesures opérées ont montré que les caractéristiques thermiques de la résistance ainsi montée sont très bonnes, celle-ci étant capable de faire monter la température de la charge combustible à 2500 avec une puissance électrique de seulement 50 mW pendant quelques minutes seulement, conformément à un autre but poursuivi par la présente invention.

Claims (9)

REVENDICATIONS
1. Vanne miniature comprenant a) un substrat (1), b) une charge (5) d'un matériau combustible disposée sur le substrat en regard d'un passage à ouvrir à travers celuici, c) une résistance électrique (2) placée sur une zone amincie (8) du substrat (1) au contact de la charge combustible (5) de manière que l'alimentation de ladite résistance (2) avec une énergie électrique prédéterminée assure la combustion de la charge et l'ouverture dudit passage, par rupture locale de ladite zone amincie (8) dudit substrat (1) sous la pression des gaz de combustion de la charge (5), caractérisée en ce que ladite zone amincie (8) dudit substrat (1) qui porte ladite résistance électrique (2) est constituée au moins d'une première couche en silice et d'une deuxième couche, superposée à la première, en nitrure de silicium.
2. Vanne miniature, caractérisée en ce que la deuxième couche est constituée de nitrure de silicium enrichi en silicium SiN1 avec x < 1,33.
3. Vanne conforme à la revendication 2, caractérisée en ce que x = 1,2 environ.
4. Vanne conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que les première et deuxième couches de SiO2 et
Si3N4 respectivement, présentent des épaisseurs d'environ 1um et 0,22 um, respectivement.
5. Vanne conforme à la revendication 3, caractérisée en ce que les première et deuxième couches de SiO2 et SiN1,2, respectivement, présentent des épaisseurs d'environ 0,5 um et 0,22 um, respectivement.
6. Vanne conforme à la revendication 3, caractérisée en ce que les première et deuxième couches de SiO2 et SiN1,2, respectivement, présentent des épaisseurs d'environ 1,4 um et 0,6 um, respectivement.
7. Procédé de fabrication d'une vanne conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par les étapes suivantes
a) on recouvre une face sensiblement plane d'un substrat (1) en matériau semi-conducteur avec une couche de silice (221),
b) on recouvre la couche de silice avec une couche de nitrure de silicium (231),
c) on forme sur ladite couche de nitrure de silicium (231) une résistance électrique (24),
d) on creuse le substrat (1) par gravure à partir de la face du substrat opposée à celle qui porte ladite résistance (24), jusqu'à ladite couche de silice (221) et,
e) on dépose une charge combustible (5) par dessus la résistance électrique (24).
8. Procédé conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que, à l'étape b), on forme une couche (231) de nitrure de silicium stoechiométrique Si3N4 par dépôt en phase vapeur à basse pression, à partir de dichlorosilane et d'ammoniac, à 750"C environ.
9. Procédé conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que, à l'étape b), on forme une couche (231) de nitrure de silicium SiN1 enrichi en silicium, par dépôt en phase vapeur à basse pression, à partir d'hydrure de silicium et d'ammoniac, à 750"C environ.
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FR2764034B3 (fr) 1999-09-03

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