WO1998043465A1 - Method for producing two communicating cavities in a substrate of monocrystalline material by chemical anisotropic etching - Google Patents

Method for producing two communicating cavities in a substrate of monocrystalline material by chemical anisotropic etching Download PDF

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WO1998043465A1
WO1998043465A1 PCT/FR1998/000562 FR9800562W WO9843465A1 WO 1998043465 A1 WO1998043465 A1 WO 1998043465A1 FR 9800562 W FR9800562 W FR 9800562W WO 9843465 A1 WO9843465 A1 WO 9843465A1
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cavity
cavities
etching
intersection
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PCT/FR1998/000562
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Yves Fouillet
Patricia Touret
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Commissariat A L'energie Atomique
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/302Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
    • H01L21/306Chemical or electrical treatment, e.g. electrolytic etching
    • H01L21/308Chemical or electrical treatment, e.g. electrolytic etching using masks

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing two communicating cavities in a substrate made of monocrystalline material by anisotropic chemical etching.
  • Certain micro-machined structures in monocrystalline material are designed to present communicating cavities. This is particularly the case of hydrophones where a first cavity constituted by a microchannel allows a fluid, whose pressure is to be measured, to have access to a second cavity constituting an enclosure.
  • a microchannel can ensure the flow of the fluid from a first enclosure to a second enclosure.
  • An important parameter to take into consideration in the fluid flow is the pressure drop, especially when it comes to measuring a fluid pressure.
  • the pressure drop is calibrated if the tolerances of the geometric sizes of the pipe, and possibly the roughness of its walls, are controlled.
  • micromachined structures most often one starts from thin plates, or substrates, of monocrystalline material (silicon or germanium).
  • the microchannel is made either perpendicular to the substrate, or parallel to this substrate.
  • a cylindrical channel passing right through a substrate can be produced by deep reactive ion etching or by laser machining. These processes require efficient machines and are not always usable in an industrial context. On the other hand, the length of the channel is limited to the thickness of the substrate.
  • a channel parallel to the substrate can be produced by anisotropic chemical etching.
  • This etching is commonly used to produce monocrystalline silicon microstructures. It results from a difference in attack speed between the crystallographic planes of this material. It is thus possible to etch a groove on the surface of a first substrate.
  • a second substrate is then sealed on the etched surface of the first substrate so as to cover the groove and thus form a channel.
  • the assembly formed by the first and the second substrate is then cut perpendicular to the groove so that the channel opens onto the cutting faces. Thanks to the perfect crystalline organization of monocrystalline materials, machining by anisotropic etching has the advantage of precisely controlling the dimensional tolerances of the section of the channel, which is well suited to obtaining a calibrated pressure drop.
  • the cutting operation perpendicular to the groove has the following drawbacks.
  • the precision over the length of the pipe to be obtained is given by the precision of the cutting machine.
  • the cutting operation can generate the formation of flakes on the intersection edges of the pipe and the cutting plane.
  • FIG. 1 shows a first substrate 10, one face 11 of which has a groove 12 obtained by etching, and a second substrate 20, the face 21 of which is sealed on the face 11 of the first substrate 10 to transform the groove into channel.
  • Two chimneys 22 and 23 have been drilled in the second substrate 20 and communicate with the channel 12.
  • the useful length of the channel is defined by the position and the geometry of the chimneys 22 and 23.
  • this solution requires machining the two substrates 10 and 20, which is not always possible.
  • many applications use a first monocrystalline substrate on which the micro-structures are etched while the second substrate is made of glass for which the machining is delicate and often imprecise.
  • FIG. 2 shows a first substrate 30, one face 31 of which has a groove 32 and which is crossed by a chimney 33 communicating with the groove 32.
  • the face 41 of a second substrate 40 is sealed on the face 31 of the first substrate 30 for transform the groove into a channel.
  • the present invention overcomes these drawbacks by proposing a method for producing at least two communicating cavities in a substrate made of monocrystalline material by anisotropic chemical etching, the two cavities communicating with each other at an intersection, characterized in what: - a connection zone is defined for the two cavities corresponding to said intersection,
  • connection zone the substrate is etched in order to produce the two cavities, with the exception of the connection zone
  • connection area is etched until the said intersection is obtained.
  • the etching of the substrate can be carried out so that one of the cavities constitutes a chimney crossing the substrate and that the other cavity constitutes a groove on one of the faces of the substrate.
  • the invention also relates to a process for producing a hydrophone structure in a substrate made of monocrystalline material by anisotropic chemical etching to obtain three cavities in the substrate: a first cavity opening onto one of the main faces of the substrate and delimiting a membrane which separates it from the other main face of the substrate, a second cavity or chimney passing right through the substrate, a third cavity constituted by a groove formed on the face of the substrate where the first cavity opens and communicating with the first cavity by a first intersection and with the second cavity by a second intersection, characterized in that: - zones of connection are defined between the first cavity and the third cavity and between the second cavity and the third cavity, the connection zones corresponding to said intersections,
  • the substrate is etched in order to produce the three cavities, with the exception of the connection zones,
  • connection areas are etched until the said intersections are obtained.
  • the cavities can be etched using masks as protective layers developed on the main faces of the substrate such as silicon oxide Si ⁇ 2 or silicon nitride Si3N4.
  • the masks are advantageously produced by reactive ion etching of the protective layers.
  • FIG. 1 is a view in longitudinal section of a micro-machined structure having a channel opening into two chimneys
  • FIG. 2 is a view in longitudinal section of a micro-machined structure having a channel opening into a chimney, the channel and the chimney being etched in the same substrate,
  • FIG. 3 is a view along the plane III-III of the structure represented in FIG. 2, - FIGS. 4 to 6 are illustrative of the principle implemented in the method according to the present invention,
  • FIG. 7 illustrates the different steps of the method according to the present invention, in an industrial application.
  • FIG. 4 is a view in longitudinal section of a substrate 1 made of monocrystalline material, for example made of monocrystalline silicon, which has been partially etched from one of its main faces referenced 2.
  • Anisotropic chemical etching has enabled, in a first step, to sketch a chimney 3, then, in a second step to sketch the groove 4 while deepening the chimney 3.
  • the engraving left intact an area 5, called connection area, between the sketches chimney and groove.
  • FIG. 5 is a longitudinal view corresponding to FIG. 4.
  • the third etching gives their final shape to the chimney 3 and to the groove 4 and places the chimney 3 and groove 4 by eliminating the connection area.
  • Figure 6 is a bottom view of the substrate 1 shown in Figure 5.
  • the intersection chimney-groove consists of slow planes 6 shown in dotted lines.
  • the etching times of the slow planes are minimum, which optimizes the positioning accuracy of these planes and in particular of those defining the section of the groove.
  • connection area 5 must be chosen according to the precision required for the dimensions of the groove. It is understood that the smaller this width, the better the groove will be calibrated.
  • a first substrate is thus obtained provided with a chimney, or possibly with two chimneys (reason for a chimney by end of groove), and with a groove.
  • the sealing, on the face 2 of the substrate 1, of a second substrate makes it possible to transform the groove into a channel.
  • FIG. 7 the starting substrate is shown from the side.
  • a substrate 50 made of monocrystalline silicon of thickness 450 ⁇ m and orientation ⁇ 100>.
  • protective layers are deposited on the substrate 50, made of silica SiO 2 or nitride
  • the thickness of the layer 53 deposited on the upper face 51 of the substrate can be 1 ⁇ m and the thickness of the layer 54 deposited on the lower face 52 of the substrate can be 1.3 ⁇ m ( see sequence A in figure 7).
  • the deposition technique can be a plasma assisted gas decomposition technique or PECVD.
  • the protective layers 53 and 54 are then masked and etched in several stages using the conventional techniques of photolithography.
  • the etching of the protective layers can be carried out by a reactive ion etching technique.
  • the protective layer 54 is first etched, over its entire thickness, in zones 55 and 56 corresponding respectively to the membrane and to the chimney of the hydrophone. (see sequence B in Figure 7). Next, the part of the protective layer 54 remaining between the zones 55 and 56 is etched to a depth of approximately half the thickness of the layer 54, the etching preserving thicker end zones 57 and 58.
  • the end zones 57 and 58 undergo a new etching (see sequence C in FIG. 7) in order to reduce their thickness compared to the rest of the protective layer 54.
  • This etching can be around 0.3 ⁇ m.
  • the upper protective layer 53 is etched in turn, over its entire thickness, in a zone 59 corresponding to the chimney.
  • the substrate 50 can then be subjected to an anisotropic chemical etching using a KOH or TMAH (tetramethylammonium hydroxide) bath at about 80 ° C.
  • KOH or TMAH tetramethylammonium hydroxide
  • the sequence D of FIG. 7 represents the result obtained after etching of the two faces of the substrate 50.
  • the parts of the unprotected faces of the substrate were etched to a depth of approximately 380 ⁇ m, producing a first cavity 61 in correspondence with the future membrane and a second cavity 62 corresponding to the future chimney.
  • the lower protective layer 54 is then etched by reactive ion etching. This is done without masking. The etching is carried out until the protective layer disappears at the level of the future channel, that is to say between the end zones 57 and 58 (see sequence E of the figure 7).
  • a third anisotropic chemical etching 5 ⁇ m deep is then carried out which allows the connection zones 64 and 65 to be removed (see sequence E).
  • a channel 63 is thus obtained communicating, at one end, with the cavity 61 and, at its other end with the chimney 62. This third etching also made it possible to define the thickness of the membrane 65.
  • the face 52 of the structure obtained can then be sealed on a support 70, for example made of glass, pierced with a through hole 71 (see sequence G in FIG. 7).
  • the assembly can be obtained by an anodic sealing.
  • the hole 71 of the support 70 opens into the cavity 61 and a communication is thus formed between the two faces of the assembly via the hole 71, the cavity 61, the groove 63 become channel and the chimney 62.
  • the structure obtained can have a chimney with a cross section of 400 ⁇ m x 400 ⁇ m, a membrane with a surface area of 3 mm 2 and a thickness of 20 ⁇ m and a channel of 400 ⁇ m in length for a triangular section of 70 ⁇ m in base, 50 ⁇ m in height.
  • FIG. 7 illustrates only the production of a single sensor, for the sake of simplification, it is obvious to those skilled in the art that the method makes it possible to produce a large number of sensors at the same time by a method. collective manufacturing. In this case, the individual cutting of the sensors takes place after the sealing step on the glass support.
  • the useful parts of the microstructure obtained are not produced by a cutting operation. There are therefore no pollution, defect and imprecision problems inherent in cutting operations.
  • the method ensures good accuracy of the section of the channel and its length.
  • the invention also applies to the production of micro-structures other than hydrophones, for example micro-dosers and micro-mixers.

Abstract

The invention concerns a method for producing at least two communicating cavities (3, 4) in a substrate (1) of monocrystalline material by chemical anisotropic etching, said two communicating cavities mutually communicating along an intersection. The invention is characterised in that it consists in: defining a connecting zone (5) for the two cavities (3, 4) corresponding to said intersection; etching the substrate (1) for producing the two cavities, except the connecting zone (5); etching the connecting zone until said intersection is produced. The invention is useful for producing hydrophones, and micro-apparatus for measuring or mixing.

Description

PROCEDE DE REALISATION DE DEUX CAVITES COMMUNICANTES DANS UN SUBSTRAT EN MATERIAU MONOCRISTALLIN PAR GRAVURE METHOD FOR PRODUCING TWO COMMUNICATING CAVITIES IN A SUBSTRATE OF SINGLE-CRYSTAL MATERIAL BY ENGRAVING
CHIMIQUE ANISOTROPEANISOTROPIC CHEMICAL
La présente invention concerne un procédé de réalisation de deux cavités communicantes dans un substrat en matériau monocristallin par gravure chimique anisotrope.The present invention relates to a method for producing two communicating cavities in a substrate made of monocrystalline material by anisotropic chemical etching.
Certaines structures micro-usinées en matériau monocristallin sont conçues pour présenter des cavités communicantes. C'est notamment le cas des hydrophones où une première cavité constituée par un microcanal permet à un fluide, dont on veut mesurer la pression, d'avoir accès à une deuxième cavité constituant une enceinte. Dans ce type de capteur, un microcanal peut assurer l'écoulement du fluide depuis une première enceinte jusqu'à une deuxième enceinte. Un paramètre important à prendre en considération dans l'écoulement de fluide est la perte de charge, surtout lorsqu'il s'agit de mesurer une pression de fluide.Certain micro-machined structures in monocrystalline material are designed to present communicating cavities. This is particularly the case of hydrophones where a first cavity constituted by a microchannel allows a fluid, whose pressure is to be measured, to have access to a second cavity constituting an enclosure. In this type of sensor, a microchannel can ensure the flow of the fluid from a first enclosure to a second enclosure. An important parameter to take into consideration in the fluid flow is the pressure drop, especially when it comes to measuring a fluid pressure.
Considérons un fluide qui s'écoule par une canalisation depuis une première enceinte jusqu'à une deuxième enceinte, les enceintes étant ouvertes ou fermées. En raison de la présence de forces de viscosité du fluide, on sait que la pression du fluide tend à diminuer le long de la canalisation. Ainsi, si le fluide s'écoule d'une enceinte A vers une enceinte B, la pression dans l'enceinte A est plus grande que la pression dans l'enceinte B. On dit alors que la canalisation crée une perte de charge au sein de l'écoulement ou que la canalisation forme une restriction au sein de l'écoulement. L'expérience et la théorie de la mécanique des fluides montrent que, dans de nombreux cas d'écoulement, il est possible d'établir une relation simple entre les pressions de fluide dans les enceintes et le débit volumique de fluide dans la canalisation. Cette relation est uniquement fonction des propriétés du fluide (masse volumique et viscosité), des caractéristiques géométriques de la canalisation et éventuellement de la rugosité des parois de la canalisation.Consider a fluid which flows through a pipe from a first enclosure to a second enclosure, the enclosures being open or closed. Due to the presence of viscosity forces of the fluid, it is known that the pressure of the fluid tends to decrease along the pipeline. Thus, if the fluid flows from an enclosure A to an enclosure B, the pressure in the enclosure A is greater than the pressure in the enclosure B. It is then said that the pipe creates a pressure drop within flow or that the pipeline forms a restriction within the flow. Experience and theory of fluid mechanics show that in In many flow cases, it is possible to establish a simple relationship between the fluid pressures in the chambers and the volume flow of fluid in the pipeline. This relationship is solely a function of the properties of the fluid (density and viscosity), of the geometrical characteristics of the pipeline and possibly of the roughness of the walls of the pipeline.
Dans ce cas, on dira que la perte de charge est calibrée si les tolérances des grandeurs géométriques de la canalisation, et éventuellement la rugosité de ses parois, sont maîtrisées.In this case, it will be said that the pressure drop is calibrated if the tolerances of the geometric sizes of the pipe, and possibly the roughness of its walls, are controlled.
Pour bien contrôler le débit dans une canalisation, il est donc nécessaire de porter une attention particulière aux tolérances dimensionnelles de la section de la canalisation ainsi que de sa longueur. Les tolérances sur la section doivent notamment être particulièrement considérées. Ainsi, pour une canalisation cylindrique et de section circulaire, on peut montrer que, sous certaines conditions, le débit de fluide est inversement proportionnel à la longueur de la canalisation et proportionnel à la quatrième puissance de son rayon. Ce point est important à observer lorsqu'il s'agit de choisir un procédé de réalisation d'un microcanal pour hydrophone .To properly control the flow in a pipeline, it is therefore necessary to pay particular attention to the dimensional tolerances of the section of the pipeline as well as its length. The tolerances on the section must in particular be particularly considered. Thus, for a cylindrical pipe and of circular section, it can be shown that, under certain conditions, the fluid flow rate is inversely proportional to the length of the pipe and proportional to the fourth power of its radius. This point is important to observe when choosing a process for making a microchannel for a hydrophone.
Dans le cas de structures micro-usinées, on part le plus souvent de plaques minces, ou substrats, en matériau monocristallin (silicium ou germanium) . Le microcanal est réalisé soit perpendiculairement au substrat, soit parallèlement à ce substrat.In the case of micromachined structures, most often one starts from thin plates, or substrates, of monocrystalline material (silicon or germanium). The microchannel is made either perpendicular to the substrate, or parallel to this substrate.
Un canal cylindrique traversant de part en part un substrat peut être réalisé par gravure ionique réactive profonde ou par usinage laser. Ces procédés nécessitent des machines performantes et ne sont pas toujours utilisables dans un contexte industriel. D'autre part, la longueur du canal est limitée à l'épaisseur du substrat .A cylindrical channel passing right through a substrate can be produced by deep reactive ion etching or by laser machining. These processes require efficient machines and are not always usable in an industrial context. On the other hand, the length of the channel is limited to the thickness of the substrate.
Un canal parallèle au substrat peut être réalisé par gravure chimique anisotrope. Cette gravure est couramment utilisée pour réaliser des microstructures en silicium monocristallin. Elle résulte d'une différence de vitesse d'attaque entre les plans cristallographiques de ce matériau. Il est ainsi possible de graver une rainure sur la surface d'un premier substrat. Un deuxième substrat est ensuite scellé sur la surface gravée du premier substrat de façon à recouvrir la rainure et ainsi former un canal. L'ensemble constitué par le premier et le deuxième substrat est ensuite découpé perpendiculairement à la rainure pour que le canal débouche sur des faces de découpe. Grâce à la parfaite organisation cristalline des matériaux monocristallin, l'usinage par gravure anisotrope présente l'avantage de contrôler précisément les tolérances dimensionnelles de la section du canal, ce qui est bien adapté à l'obtention d'une perte de charge calibrée. Cependant, l'opération de découpe perpendiculaire à la rainure présente les inconvénients suivants. La précision sur la longueur de la canalisation à obtenir est donnée par la précision de la machine de découpe. Ensuite, pendant cette phase de découpe, il y a un risque de pollution pouvant obstruer la canalisation. Enfin, l'opération de découpe peut générer la formation d'écaillés sur les arêtes d'intersection de la canalisation et du plan de découpe .A channel parallel to the substrate can be produced by anisotropic chemical etching. This etching is commonly used to produce monocrystalline silicon microstructures. It results from a difference in attack speed between the crystallographic planes of this material. It is thus possible to etch a groove on the surface of a first substrate. A second substrate is then sealed on the etched surface of the first substrate so as to cover the groove and thus form a channel. The assembly formed by the first and the second substrate is then cut perpendicular to the groove so that the channel opens onto the cutting faces. Thanks to the perfect crystalline organization of monocrystalline materials, machining by anisotropic etching has the advantage of precisely controlling the dimensional tolerances of the section of the channel, which is well suited to obtaining a calibrated pressure drop. However, the cutting operation perpendicular to the groove has the following drawbacks. The precision over the length of the pipe to be obtained is given by the precision of the cutting machine. Then, during this cutting phase, there is a risk of pollution that can clog the pipe. Finally, the cutting operation can generate the formation of flakes on the intersection edges of the pipe and the cutting plane.
Différentes méthodes ont été proposées pour tenter d'améliorer le principe d'ouverture du canal.Different methods have been proposed in an attempt to improve the principle of opening the channel.
Pour limiter la formation d'écaillés, on peut apporter certaines améliorations à la phase de découpe en intervenant sur les paramètres de découpe et sur le type d'outillage, comme décrit dans le brevet US-A-4 639 748. Un autre procédé de réalisation de microcanaux ne présentant aucun défaut du type écaille et limitant le risque de pollution est décrit dans le document FR-A-2 727 648. Ce document préconise l'utilisation d'une couche protectrice déposée avant la phase de découpe. Cependant ce procédé n'est pas toujours applicable car il n'est pas toujours possible de déposer une couche protectrice.To limit the formation of flaking, certain improvements can be made to the cutting phase by intervening on the cutting parameters and on the type of tooling, as described in patent US-A-4 639 748. Another method of producing microchannels having no flake-like defect and limiting the risk of pollution is described in document FR-A-2 727 648. This document recommends the use of a protective layer deposited before the cutting phase. However, this process is not always applicable since it is not always possible to deposit a protective layer.
Les procédés décrits dans les documents US-A-4 639 748 et FR-A-2 727 648 ne résolvent pas complètement le problème du risque de pollution et de la précision de la longueur du canal. Au vu de ce qui précède, il semble préférable de ne pas utiliser de découpe pour l'ouverture du canal. Il semble plus judicieux de faire déboucher le canal sur des "cheminées" traversant l'un des deux substrats. Cette solution est présentée à la figure 1 qui montre un premier substrat 10 dont une face 11 possède une rainure 12 obtenue par gravure, et un deuxième substrat 20 dont la face 21 est scellée sur la face 11 du premier substrat 10 pour transformer la rainure en canal. Deux cheminées 22 et 23 ont été percées dans le deuxième substrat 20 et communiquent avec le canal 12. Ainsi la longueur utile du canal est définie par la position et la géométrie des cheminées 22 et 23. Cependant, cette solution oblige à usiner les deux substrats 10 et 20, ce qui n'est pas toujours possible. Par exemple de nombreuses applications utilisent un premier substrat monocristallin sur lequel sont gravés les micro-structures alors que le deuxième substrat est en verre pour lequel l'usinage est délicat et souvent imprécis. Il est, dans ce cas, préférable de réaliser la rainure et les cheminées sur le même substrat ainsi que cela est montré sur la figure 2.The methods described in documents US-A-4,639,748 and FR-A-2,727,648 do not completely solve the problem of the risk of pollution and the accuracy of the length of the channel. In view of the above, it seems preferable not to use a cutout for the opening of the channel. It seems more judicious to open the canal on "chimneys" crossing one of the two substrates. This solution is presented in FIG. 1 which shows a first substrate 10, one face 11 of which has a groove 12 obtained by etching, and a second substrate 20, the face 21 of which is sealed on the face 11 of the first substrate 10 to transform the groove into channel. Two chimneys 22 and 23 have been drilled in the second substrate 20 and communicate with the channel 12. Thus the useful length of the channel is defined by the position and the geometry of the chimneys 22 and 23. However, this solution requires machining the two substrates 10 and 20, which is not always possible. For example, many applications use a first monocrystalline substrate on which the micro-structures are etched while the second substrate is made of glass for which the machining is delicate and often imprecise. In this case, it is preferable to carry out the groove and chimneys on the same substrate as shown in Figure 2.
Pour réaliser une cheminée traversant un substrat de part en part, avec un bon positionnement et par des techniques classiques, il est préférable de la réaliser par gravure chimique comme indiqué plus haut. Seule une telle gravure permet par ailleurs une fabrication collective à bas coût. La figure 2 montre un premier substrat 30 dont une face 31 possède une rainure 32 et qui est traversée par une cheminée 33 communiquant avec la rainure 32. La face 41 d'un deuxième substrat 40 est scellée sur la face 31 du premier substrat 30 pour transformer la rainure en canal.To make a chimney crossing a substrate right through, with a good positioning and by conventional techniques, it is preferable to make it by chemical etching as indicated above. Only such an engraving also allows collective manufacturing at low cost. FIG. 2 shows a first substrate 30, one face 31 of which has a groove 32 and which is crossed by a chimney 33 communicating with the groove 32. The face 41 of a second substrate 40 is sealed on the face 31 of the first substrate 30 for transform the groove into a channel.
Il se pose alors le problème de l'apparition de plans rapides pendant les phases de gravure anisotrope, pouvant provoquer une modification importante de la géométrie de l'ouverture de la restriction. Suivant le type de bain de gravure utilisé, le nombre de plans rapides et leurs orientations peuvent être très différents mais on peut schématiser le résultat obtenu par la représentation donnée à la figure 3 qui est une vue en coupe selon la direction III-III indiquée sur la figure 2. La cheminée 33 et le canal 32 sont délimités par des plans lents 34. Par contre, l'intersection cheminée-canal consiste en une succession de plans rapides 35 (en pointillés sur la figure). L'existence de ces plans rapides pose deux problèmes. Premièrement, on observe une forme en entonnoir occupant un espace plus ou moins important, ce qui peut nuire à la miniaturisation du microsystème. Par exemple pour une rainure de 60 μm de profondeur, les plans rapides peuvent avancer de plus de 400 μm suivant la direction du canal. Deuxièmement, l'expérience montre que la vitesse des plans rapides est fortement dépendante de la stabilité du bain (concentration, température) et qu'une petite désorientation cristalline peut générer de fortes dissymétries . Il y aura donc une grande incertitude sur la longueur du canal. Ce problème est bien connu en micro-usinage, et en général il est possible de définir des motifs de compensations pour retarder l'apparition des plans rapides sur les motifs utiles comme décrit dans l'article : "Corner Compensation Techniques in Anisotropic Etching of (100) -Silicon Using Aqueous KOH", par H. SANDMAIER et al., IEEE, 1991, pages 456-459. Ces motifs de compensation sont bien adaptés pour la plupart des cas simples. Cependant, dans le cas particulier d'un canal résultant d'une gravure en V et débouchant sur une gravure très profonde, l'application de motifs de compensation s'est révélée inadéquate. Après différents essais, il n'a pas été possible de mettre en évidence un motif de compensation permettant d'obtenir des résultats satisfaisants et reproductibles.The problem then arises of the appearance of rapid planes during the anisotropic etching phases, which can cause a significant modification of the geometry of the opening of the restriction. Depending on the type of etching bath used, the number of rapid planes and their orientations can be very different but we can schematize the result obtained by the representation given in Figure 3 which is a sectional view in the direction III-III indicated on Figure 2. The chimney 33 and the channel 32 are delimited by slow planes 34. On the other hand, the chimney-channel intersection consists of a succession of rapid planes 35 (dotted lines in the figure). The existence of these rapid plans poses two problems. First, we observe a funnel shape occupying a more or less important space, which can harm the miniaturization of the microsystem. For example, for a groove 60 μm deep, rapid planes can advance by more than 400 μm in the direction of the channel. Second, experience shows that the speed of fast planes is strongly dependent on the stability of the bath (concentration, temperature) and that a small crystalline disorientation can generate strong asymmetries. There will therefore be great uncertainty about the length of the channel. This problem is well known in micromachining, and in general it is possible to define compensation patterns to delay the appearance of fast shots on useful patterns as described in the article: "Corner Compensation Techniques in Anisotropic Etching of ( 100) -Silicon Using Aqueous KOH ", by H. SANDMAIER et al., IEEE, 1991, pages 456-459. These compensation reasons are well suited for most simple cases. However, in the particular case of a channel resulting from a V-shaped etching and leading to a very deep etching, the application of compensation patterns has been found to be inadequate. After various tests, it was not possible to demonstrate a compensation pattern allowing satisfactory and reproducible results to be obtained.
La présente invention permet de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de réalisation d'au moins deux cavités communicantes dans un substrat en matériau monocristallin par gravure chimique anisotrope, les deux cavités communiquant l'une avec l'autre selon une intersection, caractérisé en ce que : - on définit une zone de raccordement pour les deux cavités correspondant à ladite intersection,The present invention overcomes these drawbacks by proposing a method for producing at least two communicating cavities in a substrate made of monocrystalline material by anisotropic chemical etching, the two cavities communicating with each other at an intersection, characterized in what: - a connection zone is defined for the two cavities corresponding to said intersection,
- on grave le substrat en vue de réaliser les deux cavités, à l'exception de la zone de raccordement,- the substrate is etched in order to produce the two cavities, with the exception of the connection zone,
- on grave la zone de raccordement jusqu'à obtenir ladite intersection.- the connection area is etched until the said intersection is obtained.
La gravure du substrat peut être menée de façon que l'une des cavités constitue une cheminée traversant le substrat et que l'autre cavité constitue une rainure sur l'une des faces du substrat. L'invention a aussi pour objet un procédé de réalisation d'une structure pour hydrophone dans un substrat en matériau monocristallin par gravure chimique anisotrope pour obtenir trois cavités dans le substrat : une première cavité s 'ouvrant sur l'une des faces principales du substrat et délimitant une membrane qui la sépare de l'autre face principale du substrat, une deuxième cavité ou cheminée traversant le substrat de part en part, une troisième cavité constituée par une rainure réalisée sur la face du substrat où s'ouvre la première cavité et communiquant avec la première cavité par une première intersection et avec la deuxième cavité par une deuxième intersection, caractérisé en ce que : - on définit des zones de raccordement entre la première cavité et la troisième cavité et entre la deuxième cavité et la troisième cavité, les zones de raccordement correspondant auxdites intersections,The etching of the substrate can be carried out so that one of the cavities constitutes a chimney crossing the substrate and that the other cavity constitutes a groove on one of the faces of the substrate. The invention also relates to a process for producing a hydrophone structure in a substrate made of monocrystalline material by anisotropic chemical etching to obtain three cavities in the substrate: a first cavity opening onto one of the main faces of the substrate and delimiting a membrane which separates it from the other main face of the substrate, a second cavity or chimney passing right through the substrate, a third cavity constituted by a groove formed on the face of the substrate where the first cavity opens and communicating with the first cavity by a first intersection and with the second cavity by a second intersection, characterized in that: - zones of connection are defined between the first cavity and the third cavity and between the second cavity and the third cavity, the connection zones corresponding to said intersections,
- on grave le substrat en vue de réaliser les trois cavités , à l'exception des zones de raccordement,- the substrate is etched in order to produce the three cavities, with the exception of the connection zones,
- on grave les zones de raccordement jusqu'à obtenir lesdites intersections.- The connection areas are etched until the said intersections are obtained.
Si le substrat est en silicium, les cavités peuvent être gravées en utilisant comme masques des couches de protection développées sur les faces principales du substrat telles que de l'oxyde de silicium Siθ2 ou du nitrure de silicium Si3N4. Dans ce cas, les masques sont avantageusement réalisés par gravure ionique réactive des couches de protection.If the substrate is made of silicon, the cavities can be etched using masks as protective layers developed on the main faces of the substrate such as silicon oxide Siθ2 or silicon nitride Si3N4. In this case, the masks are advantageously produced by reactive ion etching of the protective layers.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront dans la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une structure micro-usinée présentant un canal débouchant dans deux cheminées,The invention will be better understood and other advantages and particularities will appear in the description which follows, given by way of nonlimiting example, accompanied by the appended drawings among which: FIG. 1 is a view in longitudinal section of a micro-machined structure having a channel opening into two chimneys,
- la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une structure micro-usinée présentant un canal débouchant dans une cheminée, le canal et la cheminée étant gravés dans un même substrat,FIG. 2 is a view in longitudinal section of a micro-machined structure having a channel opening into a chimney, the channel and the chimney being etched in the same substrate,
- la figure 3 est une vue selon le plan III-III de la structure représentée à la figure 2, - les figures 4 à 6 sont illustratives du principe mis en oeuvre dans le procédé selon la présente invention,FIG. 3 is a view along the plane III-III of the structure represented in FIG. 2, - FIGS. 4 to 6 are illustrative of the principle implemented in the method according to the present invention,
- la figure 7 illustre les différentes étapes du procédé selon la présente invention, dans une application industrielle.- Figure 7 illustrates the different steps of the method according to the present invention, in an industrial application.
La figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'un substrat 1 en matériau monocristallin, par exemple en silicium monocristallin, qui a été gravé partiellement à partir de l'une de ses faces principales référencée 2. La gravure chimique anisotrope a permis, dans une première étape, d'ébaucher une cheminée 3, puis, dans une seconde étape d'ébaucher la rainure 4 tout en approfondissant la cheminée 3. On remarque que la gravure a laissé intacte une zone 5, dite zone de raccordement, entre les ébauches de cheminée et de rainure.FIG. 4 is a view in longitudinal section of a substrate 1 made of monocrystalline material, for example made of monocrystalline silicon, which has been partially etched from one of its main faces referenced 2. Anisotropic chemical etching has enabled, in a first step, to sketch a chimney 3, then, in a second step to sketch the groove 4 while deepening the chimney 3. We note that the engraving left intact an area 5, called connection area, between the sketches chimney and groove.
Une troisième étape de gravure est ensuite menée et le résultat obtenu est illustré par la figure 5 qui est une vue longitudinale correspondant à la figure 4. La troisième gravure donne leur forme définitive à la cheminée 3 et à la rainiure 4 et met en communication la cheminée 3 et la rainure 4 par élimination de la zone de raccordement.A third etching step is then carried out and the result obtained is illustrated by FIG. 5 which is a longitudinal view corresponding to FIG. 4. The third etching gives their final shape to the chimney 3 and to the groove 4 and places the chimney 3 and groove 4 by eliminating the connection area.
La figure 6 est une vue de dessous du substrat 1 représenté à la figure 5. L'intersection cheminée-rainure consiste en des plans lents 6 représentés en pointillés. Les temps de gravure des plans lents sont minimums ce qui rend optimum la précision de positionnement de ces plans et en particulier de ceux définissant la section de la rainure.Figure 6 is a bottom view of the substrate 1 shown in Figure 5. The intersection chimney-groove consists of slow planes 6 shown in dotted lines. The etching times of the slow planes are minimum, which optimizes the positioning accuracy of these planes and in particular of those defining the section of the groove.
La largeur de la zone de raccordement 5 doit être choisie en fonction de la précision requise pour les dimensions de la rainure. On comprend que plus cette largeur sera faible, mieux la rainure sera calibrée.The width of the connection area 5 must be chosen according to the precision required for the dimensions of the groove. It is understood that the smaller this width, the better the groove will be calibrated.
On obtient ainsi un premier substrat pourvu d'une cheminée, ou éventuellement de deux cheminées à (raison d'une cheminée par extrémité de rainure), et d'une rainure. Le scellage, sur la face 2 du substrat 1, d'un deuxième substrat permet de transformer la rainure en canal .A first substrate is thus obtained provided with a chimney, or possibly with two chimneys (reason for a chimney by end of groove), and with a groove. The sealing, on the face 2 of the substrate 1, of a second substrate makes it possible to transform the groove into a channel.
On va décrire maintenant un procédé techniquement plus détaillé d'élaboration d'une structure micro-usinée pour hydrophone, en référence à la figure 7. Sur cette figure, le substrat de départ est représenté de côté.We will now describe a technically more detailed process for developing a micro-machined structure for hydrophone, with reference to FIG. 7. In this figure, the starting substrate is shown from the side.
On part d'un substrat 50 en silicium monocristallin, d'épaisseur 450 μm et d'orientation <100>. Lors d'une première étape, on dépose sur le substrat 50 des couches de protection, en silice Siθ2 ou en nitrure
Figure imgf000011_0001
A titre d'exemple, l'épaisseur de la couche 53 déposée sur la face supérieure 51 du substrat peut être de 1 μm et l'épaisseur de la couche 54 déposée sur la face inférieure 52 du substrat peut être de 1,3 μm (voir séquence A de la figure 7) . La technique de dépôt peut être une technique de décomposition de gaz assistée par plasma ou PECVD.
We start from a substrate 50 made of monocrystalline silicon, of thickness 450 μm and orientation <100>. During a first step, protective layers are deposited on the substrate 50, made of silica SiO 2 or nitride
Figure imgf000011_0001
By way of example, the thickness of the layer 53 deposited on the upper face 51 of the substrate can be 1 μm and the thickness of the layer 54 deposited on the lower face 52 of the substrate can be 1.3 μm ( see sequence A in figure 7). The deposition technique can be a plasma assisted gas decomposition technique or PECVD.
Les couches de protection 53 et 54 sont ensuite masquées et gravées en plusieurs étapes en utilisant les techniques classiques de la photolithogravure . La gravure des couches protectrices peut être réalisée par une technique de gravure ionique réactive.The protective layers 53 and 54 are then masked and etched in several stages using the conventional techniques of photolithography. The etching of the protective layers can be carried out by a reactive ion etching technique.
La couche de protection 54 est d'abord gravée, sur toute son épaisseur, dans des zones 55 et 56 correspondant respectivement à la membrane et à la cheminée de 1 ' hydrophone . (voir la séquence B de la figure 7) . Ensuite, la partie de la couche de protection 54 subsistant entre les zones 55 et 56 est gravée sur une profondeur d'environ la moitié de l'épaisseur de la couche 54, la gravure préservant des zones d'extrémité 57 et 58 plus épaisses.The protective layer 54 is first etched, over its entire thickness, in zones 55 and 56 corresponding respectively to the membrane and to the chimney of the hydrophone. (see sequence B in Figure 7). Next, the part of the protective layer 54 remaining between the zones 55 and 56 is etched to a depth of approximately half the thickness of the layer 54, the etching preserving thicker end zones 57 and 58.
Les zones d'extrémité 57 et 58 subissent une nouvelle gravure (voir la séquence C de la figure 7) afin de réduire leur épaisseur par rapport au reste de la couche de protection 54. Cette gravure peut être d'environ 0,3 μm. La couche de protection supérieure 53 est gravée à son tour, sur toute son épaisseur, dans une zone 59 correspondant à la cheminée.The end zones 57 and 58 undergo a new etching (see sequence C in FIG. 7) in order to reduce their thickness compared to the rest of the protective layer 54. This etching can be around 0.3 μm. The upper protective layer 53 is etched in turn, over its entire thickness, in a zone 59 corresponding to the chimney.
Le substrat 50 peut alors être soumis à une gravure chimique anisotrope en utilisant un bain de KOH ou de TMAH (hydroxyde de tétraméthylammonium) à environ 80°C.The substrate 50 can then be subjected to an anisotropic chemical etching using a KOH or TMAH (tetramethylammonium hydroxide) bath at about 80 ° C.
La séquence D de la figure 7 représente le résultat obtenu après gravure des deux faces du substrat 50. Les parties des faces non protégées du substrat ont été gravées sur une profondeur d'environ 380 μm, produisant une première cavité 61 en correspondance avec la future membrane et une deuxième cavité 62 correspondant à la future cheminée. La couche de protection inférieure 54 est ensuite gravée par gravure ionique réactive. Cette opération est effectuée sans masquage. La gravure est réalisée jusqu'à disparition de la couche de protection au niveau du futur canal, c'est-à-dire entre les zones d'extrémité 57 et 58 (voir la séquence E de la figure 7) . On procède alors à une deuxième gravure anisotrope du substrat 50, de profondeur 45 μm. On obtient notamment une ébauche du futur canal 63.The sequence D of FIG. 7 represents the result obtained after etching of the two faces of the substrate 50. The parts of the unprotected faces of the substrate were etched to a depth of approximately 380 μm, producing a first cavity 61 in correspondence with the future membrane and a second cavity 62 corresponding to the future chimney. The lower protective layer 54 is then etched by reactive ion etching. This is done without masking. The etching is carried out until the protective layer disappears at the level of the future channel, that is to say between the end zones 57 and 58 (see sequence E of the figure 7). We then proceed to a second anisotropic etching of the substrate 50, 45 μm deep. In particular, a draft of the future channel 63 is obtained.
Les zones 64 et 65 du substrat, protégées respectivement par les zones d'extrémité 57 et 58 venant de la couche de protection inférieure- 54, constituent des zones de raccordement entre la cavité 61 et le canal 63 d'une part et entre le canal ou rainure 63 et la cheminée 62 d'autre part. L'étape suivante, illustrée par la séquence F de la figure 7, consiste à effectuer une gravure ionique réactive de la couche de protection inférieure 54 jusqu'à élimination des zones d'extrémité 57 et 58 (encore visibles à la séquence E de la figure 7) . Cette opération se fait sans masquage. On réalise ensuite une troisième gravure chimique anisotrope de 5 μm de profondeur qui permet la suppression des zones de raccordement 64 et 65 (voir la séquence E) . On obtient ainsi un canal 63 communiquant, par une extrémité, avec la cavité 61 et, par son autre extrémité avec la cheminée 62. Cette troisième gravure a également permis de définir l'épaisseur de la membrane 65.The areas 64 and 65 of the substrate, protected respectively by the end areas 57 and 58 coming from the lower protective layer - 54, constitute connection areas between the cavity 61 and the channel 63 on the one hand and between the channel or groove 63 and the chimney 62 on the other hand. The next step, illustrated by the sequence F of FIG. 7, consists in carrying out a reactive ion etching of the lower protective layer 54 until elimination of the end zones 57 and 58 (still visible in sequence E of the figure 7). This operation is done without masking. A third anisotropic chemical etching 5 μm deep is then carried out which allows the connection zones 64 and 65 to be removed (see sequence E). A channel 63 is thus obtained communicating, at one end, with the cavity 61 and, at its other end with the chimney 62. This third etching also made it possible to define the thickness of the membrane 65.
Ce qui subsiste des couches de protection 53 et 54 est éliminé, par exemple par gravure ionique réactive. La face 52 de la structure obtenue peut alors être scellée sur un support 70, par exemple en verre, percé d'un trou traversant 71 (voir la séquence G de la figure 7). L'assemblage peut être obtenu par un scellement anodique. Le trou 71 du support 70 débouche dans la cavité 61 et une communication est ainsi formée entre les deux faces de l'ensemble via le trou 71, la cavité 61, la rainure 63 devenu canal et la cheminée 62.What remains of the protective layers 53 and 54 is eliminated, for example by reactive ion etching. The face 52 of the structure obtained can then be sealed on a support 70, for example made of glass, pierced with a through hole 71 (see sequence G in FIG. 7). The assembly can be obtained by an anodic sealing. The hole 71 of the support 70 opens into the cavity 61 and a communication is thus formed between the two faces of the assembly via the hole 71, the cavity 61, the groove 63 become channel and the chimney 62.
A titre d'exemple, la structure obtenue peut avoir une cheminée de section 400 μm x 400 μm, une membrane de 3 mm2 de superficie et de 20 μm d'épaisseur et un canal de 400 μm de longueur pour une section triangulaire de 70 μm de base de 50 μm de hauteur.For example, the structure obtained can have a chimney with a cross section of 400 μm x 400 μm, a membrane with a surface area of 3 mm 2 and a thickness of 20 μm and a channel of 400 μm in length for a triangular section of 70 μm in base, 50 μm in height.
Bien que la figure 7 n'illustre que la réalisation d'un seul capteur, par souci de simplification, il est évident pour l'homme de l'art que le procédé permet de réaliser un grand nombre de capteurs en même temps par un procédé collectif de fabrication. Dans ce cas, la découpe individuelle des capteurs intervient après l'étape de scellement sur le support en verre.Although FIG. 7 illustrates only the production of a single sensor, for the sake of simplification, it is obvious to those skilled in the art that the method makes it possible to produce a large number of sensors at the same time by a method. collective manufacturing. In this case, the individual cutting of the sensors takes place after the sealing step on the glass support.
Les parties utiles de la micro-structure obtenue ne sont pas réalisées par une opération de découpe. Il n'y a donc pas les problèmes de pollution, de défauts et d'imprécision inhérents aux opérations de découpe. Le procédé permet d'assurer une bonne précision de la section du canal et de sa longueur.The useful parts of the microstructure obtained are not produced by a cutting operation. There are therefore no pollution, defect and imprecision problems inherent in cutting operations. The method ensures good accuracy of the section of the channel and its length.
L'invention s'applique également à la réalisation de micro-structures autres que les hydrophones, par exemple les micro-doseurs et les micro-mélangeurs. The invention also applies to the production of micro-structures other than hydrophones, for example micro-dosers and micro-mixers.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de réalisation d'au moins deux cavités (3, 4 ; 61, 63 ; 62, 63) communicantes dans un substrat (1 ; 50) en matériau monocristallin par gravure chimique anisotrope, les deux cavités communiquant l'une avec l'autre selon une intersection, caractérisé en ce que :1. Method for producing at least two cavities (3, 4; 61, 63; 62, 63) communicating in a substrate (1; 50) in monocrystalline material by anisotropic chemical etching, the two cavities communicating with one other according to an intersection, characterized in that:
- on définit une zone de raccordement (5; 64; 65) pour les deux cavités (3, 4 ; 61, 63; 62, 63) correspondant à ladite intersection,- a connection zone (5; 64; 65) is defined for the two cavities (3, 4; 61, 63; 62, 63) corresponding to said intersection,
- on grave le substrat (l;50)en vue de réaliser les deux cavités, à l'exception de la zone de raccordement,- the substrate (l; 50) is etched in order to produce the two cavities, with the exception of the connection zone,
- on grave la zone de raccordement jusqu'à obtenir ladite intersection.- the connection area is etched until the said intersection is obtained.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la gravure du substrat est menée de façon que l'une des cavités constitue une cheminée (3; 62) traversant le substrat (1;50) et que l'autre cavité constitue une rainure (4;63) sur l'une des faces (2;52) du substrat.2. Method according to claim 1, characterized in that the etching of the substrate is carried out so that one of the cavities constitutes a chimney (3; 62) passing through the substrate (1; 50) and that the other cavity constitutes a groove (4; 63) on one of the faces (2; 52) of the substrate.
3. Procédé de réalisation d'une structure pour hydrophone dans un substrat (50) en matériau monocristallin par gravure chimique anisotrope pour obtenir trois cavités dans le substrat : une première cavité (61) s ' ouvrant sur l'une (52) des faces principales du substrat (50) et délimitant une membrane3. Method for producing a hydrophone structure in a substrate (50) of monocrystalline material by anisotropic chemical etching to obtain three cavities in the substrate: a first cavity (61) opening onto one (52) of the faces principal of the substrate (50) and delimiting a membrane
(65) qui la sépare de l'autre face principale (51) du substrat (50), une deuxième cavité ou cheminée (62) traversant le substrat de part en part, une troisième cavité constituée par une rainure (63) réalisée sur la face (52) du substrat (50) où s'ouvre la première cavité (61) et communiquant avec la première cavité (61) par une première intersection et avec la deuxième cavité (62) par une deuxième intersection, caractérisé en ce que :(65) which separates it from the other main face (51) of the substrate (50), a second cavity or chimney (62) passing right through the substrate, a third cavity constituted by a groove (63) formed on the face (52) of the substrate (50) where the first cavity (61) opens and communicating with the first cavity (61) by a first intersection and with the second cavity (62) by a second intersection, characterized in that:
- on définit des zones de raccordement (64,65) entre la première cavité (61) et la troisième cavité (63) et entre la deuxième cavité (62) et la troisième cavité (63), les zones de raccordement (64,65) correspondant auxdites intersections,- Connection zones (64,65) are defined between the first cavity (61) and the third cavity (63) and between the second cavity (62) and the third cavity (63), the connection zones (64,65 ) corresponding to said intersections,
- on grave le substrat (50) en vue de réaliser les trois cavités (61,62,63), à l'exception des zones de raccordement (64,65),- the substrate (50) is etched in order to produce the three cavities (61,62,63), with the exception of the connection zones (64,65),
- on grave les zones de raccordement (64,65) jusqu'à obtenir lesdites intersections.- Etching the connection areas (64,65) until obtaining said intersections.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que, le substrat étant en silicium, les cavités (61,62,63) sont gravées en utilisant comme masques des couches de protection (53,54) développées sur les faces principales (51,52) du substrat (50) telles que de l'oxyde de silicium Siθ2 ou du nitrure de silicium Si3N4. 4. Method according to claim 3, characterized in that, the substrate being made of silicon, the cavities (61,62,63) are etched using masks as protective layers (53,54) developed on the main faces (51 , 52) of the substrate (50) such as silicon oxide Siθ2 or silicon nitride Si 3 N 4 .
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les masques sont réalisés par gravure ionique réactive des couches de protection (53,54) 5. Method according to claim 4, characterized in that the masks are produced by reactive ion etching of the protective layers (53,54)
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