– La lithographie, avec ou sans masque
– L'assemblage et le packaging, sans lesquels toute fabrication serait vaine…
Les technologies développées autour des microtechniques sont nombreuses, pointues et trouvent dans la centrale MIMENTO leur expression la plus fine en matière de recherche. En aval, des outils sophistiqués existent, intéressant les chercheurs pour valider leurs travaux par la mise en fabrication de composants, tout comme les industriels pour éprouver technologies, matériels et résultats avant de se lancer dans la fabrication de masse et choisir leurs investissements.
Ces technologies incluent principalement trois opérations dans la fabrication de microsystèmes du type MEMS : la lithographie, la gravure et le dépôt. Puisant leur racines dans les techniques planaires éprouvées par la microélectronique, elles se combinent également à celles de la micromécanique. Leur mise au point dépend des objectifs recherchés, notamment en matière de précision et de dimension, pour élaborer des composants de quelques centaines de microns à des structures approchant quelques dizaines de nanomètres. Elle relève également directement des matériaux utilisés et de leurs propriétés. Si les technologies liées au silicium, puis aux polymères sont devenues partout des fers de lance en microfabrication, celles relevant du travail sur quartz et niobate de lithium sont des spécificités comtoises. Les technologies évoquées ici sont toutes disponibles au sein de MIMENTO.
La lithographie permet l'écriture des motifs à fabriquer sur des plaquettes, les wafers, dont le diamètre maximal est de 100 mm. Chacun peut comporter jusqu'à plusieurs centaines de motifs représentant autant de futurs composants. La taille des motifs voulus conditionne le choix de la technologie à mettre en œuvre.
– La photolithographie traditionnelle consiste à fabriquer un stencil en résine, et peut être comparée à la méthode du pochoir en peinture. Un masque Cr/Verre, qui contient le motif à transférer, est appliqué sur un wafer préalablement recouvert de résine photosensible, puis soumis à des rayons UV au travers de ses zones transparentes. Les photons modifient la solubilité de la résine, qui, éliminée chimiquement dans un développeur, laisse apparaître les zones correspondant aux motifs que l'on choisit de graver ou qui recevront un dépôt de matière. Pour réaliser des motifs complexes, plusieurs étapes de lithographie peuvent être réalisées. La photolithographie UV traditionnelle autorise la création de motifs pouvant atteindre des résolutions jusqu'à 0,6 ou 0,8 μm.
Le stepper relève du même principe photo, mais permet d'insoler des motifs par projection d'un masque avec réduction optique, avec une résolution de 0,35 μm. Fondé sur des techniques de projection optiques très sophistiquées, cet équipement coûteux mais rapide répond aux exigences de fabrication de nombreux industriels.
– La lithographie E.beam supprime l'intermédiaire du masque pour écrire directement les motifs sur le wafer enduit de résine électrosensible, grâce à un faisceau d'électrons, et se conduit sous vide. Elle permet d'obtenir une résolution de l'ordre de 20 nm, mais nécessite un temps d'insolation relativement long.
– Les méthodes de nano-impression (NIL, Nano-Imprint Lithography) constituent une piste intermédiaire pour la création des motifs, moins coûteuse que le stepper et plus rapide que l'E.beam. Elle se réfère au hot embossing et à l'UV embossing, permettant de nanostructurer un matériau à partir d'un moule qui transfère le motif dans un matériau polymère adapté, respectivement par procédé thermique ou par UV. Elle permet d'obtenir des résolutions jusqu'à quelques dizaines de nm.
MIMENTO — MIcrofabrication pour la MEcanique, les Nanosciences, la Thermique et l’Optique — est à Besançon et pour tout le grand Est, l’une des six centrales de technologie françaises, à côté de Grenoble, Orsay, Lille, Toulouse et Marcoussis. Elle dispose de plusieurs salles blanches d’une surface totale de 770 m², répondant à un classement 100, 1 000, et 10 000, actuellement sur plusieurs sites. Un projet d’extension, en cours de réalisation, permettra de regrouper l’ensemble des équipements dans une salle unique de 800 m² à TEMIS Innovation. Bénéficiant des équipements les plus pointus, MIMENTO représente un investissement global de treize millions d’euros. La centrale est gérée par quinze ingénieurs et techniciens et accueille dans ses locaux aussi bien des chercheurs que des industriels. Actuellement, pas moins de cent projets sont menés au sein de MIMENTO.
Un atelier et une ligne pilotes au service des entreprises
Au-delà de la mise au point de prototypes, certains équipements sont compatibles avec une production industrielle. Un excellent test à la fois pour les chercheurs qui voient ainsi leurs travaux validés, et pour les industriels, dont les impératifs de productivité et de rentabilité ne sauraient souffrir de quelconques approximations de réalisation. Une ligne pilote de microfabrication, installée dans un environnement classe 100, est actuellement en cours de qualification. Elle permettra dans un proche avenir des réalisations industrielles de haut niveau, notamment de capteurs piézoélectriques à ondes de surface (SAW). Opérationnel depuis plusieurs années, l’atelier pilote mutualise des équipements hors salle blanche entre la recherche et des industriels souhaitant tester de nouvelles technologies, ou comme transition avant de passer au stade de l’investissement propre. Développer les liens unissant la centrale et les entreprises ne peut qu’être bénéfique pour tous, l’industrie se nourrissant des fruits de la recherche et la recherche ayant besoin de l’adhésion de l’entreprise.
Créées par lithographie, les formes sont prêtes à recevoir un dépôt de polymères, de métaux ou de céramiques aux propriétés piézoélectriques, magnétiques, acoustiques, optiques…
En couche mince
– Par évaporation, la méthode la plus simple. Dans un creuset chauffant (par effet joule ou par canon à électrons), le métal passe de l'état solide à l'état gazeux et se dépose sur le substrat.
– Par pulvérisation cathodique. Un gaz est envoyé dans une chambre sous vide. Le gaz est ionisé et accéléré vers un matériau cible, décrochant ainsi des particules de matière qui se déposent sur le substrat.
– Par CVD, chemical vapor deposition, c'est un dépôt chimique en phase vapeur que l'on peut activer à l'aide d'un plasma (PECVD).
En couche épaisse
Il s'agit ici à proprement parler plus de croissance de la matière que de dépôt, en raison de l'épaisseur relativement importante de la matière ajoutée.
– Les dépôts électrolytiques (méthode LIGA-UV). La forme de base, réalisée dans une résine épaisse (résine SU-8 par exemple), est plongée dans un bain de nickel, d'or ou de cuivre et se remplit du métal choisi jusqu'à une épaisseur de 500 μm.
– Les techniques de réplication de polymères
Les technologies de fabrication développées à partir d'un moule sont dites de réplication. Elles mettent en forme des polymères chauffés jusqu'à l'état de pâte, voire de liquide par des techniques de moulage par injection, hot embossing ou coulage. Ces techniques sont développées hors salle blanche, au sein de l'atelier pilote.
Le moulage par injection
Un temps de cycle très court, une structure tridimensionnelle et une automatisation possible, bien que coûteuse, font du micromoulage par injection de polymères une technologie très prisée dans les laboratoires comtois, dont la production à un stade préindustriel représente une spécificité.
Le moulage par injection de poudres (PIM) recèle d'énormes potentiels. Des poudres d'acier inoxydable, de cuivre, de céramique ou de carbone sont mélangées à des polymères liquides avant d'être injectés dans un moule. Les polymères, une fois solidifiés, sont retirés par dissolution thermique, et les poudres densifiées par diffusion solide. Pour les métaux, cette méthode constitue une alternative économiquement intéressante à l'usinage. Pour d'autres matériaux, elle laisse envisager des fabrications inédites, comme le moulage de boitiers de montres… en céramique ! Elle fait l'objet de recherches pour dompter des matériaux comme le tungstène, le titane ou les nanotubes de carbone. L'Institut FEMTO-ST est l'un des trois laboratoires français à travailler sur les technologies PIM.
Le hot embossing
Un process assez simple à mettre en œuvre, des moules faciles à réaliser… le hot embossing est de surcroît peu coûteux. Il induit moins de contrainte dans la pièce réalisée que le moulage par injection, subissant moins de pression et des températures moins élevées. Des avantages fondamentaux dans la réalisation de composants optiques par exemple. La possibilité de travailler sur de grandes surfaces représente un des axes de recherche prioritaires dans ce domaine.
Le coulage (casting)
Peu coûteuse et d'une grande simplicité, cette méthode assure la réplication de polymères très élastiques à partir de masters en résine ou en silicium.
Microcompposants optiques réalisés par hot embossing
La lithographie produit également des motifs susceptibles d'être usinés ou gravés à différentes profondeurs.
La gravure chimique, aussi appelée gravure par voie humide, permet de graver des formes qui dépendent de la structure cristalline des matériaux usinés et des bains utilisés.
– La gravure anisotrope n'usine pas à la même vitesse toutes les directions cristallines intrinsèques aux matériaux, laissant apparaître les plans d'usinage. Elle est très utile pour réaliser des structures particulières ou très précises.
– La gravure isotrope usine à la même vitesse tous les plans cristallins et permet de produire des formes sphériques.
Exemples de réalisations :
Gravure anisotrope
Gravure isotrope
La gravure plasma ou ionique
Sous vide, on introduit un gaz que l'on ionise (formation d'un plasma). Les ions sont ensuite accélérés sous l'effet d'un champ électrique et attaquent mécaniquement le matériau.
– Reactive ion etching (RIE) : on ajoute à l'action mécanique des ions un effet chimique produit par des gaz réactifs, dans le but d'accélérer la gravure. En fonction du matériau à usiner, on choisira le gaz de façon à optimiser la gravure chimique qui est sélective. Par exemple, on utilisera plutôt des gaz fluorés (de type SF6) si on veut graver du silicium, alors qu'on préférera des gaz chlorés (de type Cl2) si on veut graver de l'arséniure de gallium ou des métaux. Dans certains procédés, une couche de polymère, créée simultanément, vient protéger les flancs au cours de la gravure.
– Deep reactive ion etching (DRIE) : le plasma est utilisé de façon plus intense. Pour réduire l'échauffement produit par le travail des ions pour graver, un flux d'hélium passe entre le porte substrat et l'échantillon, maintenant l'ensemble à température constante.
Exemples de réalisations par DRIE
Ces améliorations permettent une gravure sur silicium jusqu'à 1 mm, avec une verticalité optimale.
Un travail de recherche important sur la DRIE est mené pour améliorer la profondeur et la verticalité de la gravure plasma sur quartz et niobate de lithium.
– FIB, faisceau d'ions focalisé : comme son nom l'indique, le FIB correspond à un faisceau d'ions (ions gallium généralement) accélérés avec des énergies de l'ordre de 30 keV, et focalisés sur une cible par des lentilles électrostatiques. Le FIB disponible à MIMENTO permet une résolution de l'ordre de 50 nm. Très performant pour usiner des champs petits (de quelques dizaines de μm2), il présente néanmoins l'inconvénient d'effectuer l'usinage point par point, ce qui implique des durées de process énormes lorsqu'on veut effectuer de la production de masse.
Ces matériaux organiques sont à l’origine de procédés de fabrication de masse à moindre coût. Ils répondent parfaitement aux besoins de la microfluidique, intégrant un liquide ou un gaz, très utilisée dans le domaine biomédical. Une grande variété de polymères permet de tirer parti de différentes propriétés physicochimiques. Les thermoplastiques se ramollissent quand ils sont chauffés à une température relativement basse (250°C maximum), fondent et deviennent liquides. Ils sont les plus utilisés dans les moulages par injection. Les thermodurcissables sont plus durs et plus rigides. Ils possèdent la capacité de changer de structure lorsqu’ils sont chauffés. Les élastomères présentent des propriétés élastiques et supportent de très grandes déformations avant rupture. Le PDMS, ou poly dimethyl siloxane, est un polymère hybride. Isotrope, transparent, inerte, perméable aux gaz et d’une grande stabilité thermique, il se moule avec une très grande fidélité et se prête parfaitement à la méthode du casting.
Traditionnellement utilisé dans la fabrication du verre, le silicium trouve dans l’électronique un nouveau domaine d’application au milieu du XXe siècle, avant que les microtechniques ne s’en emparent et ne mettent au point leurs propres technologies, considérées aujourd’hui comme très avancées.
Le silicium est un semi-conducteur, dont les qualités mécaniques en font un matériau phare en microfabrication. Plus léger que l’aluminium, il est aussi plus intéressant que l’acier de par son rapport densité / élasticité : totalement élastique, il peut être travaillé sur de longues durées sans subir de fatigue ni de déformation.
– L’usinage par laser à impulsion femtoseconde est une particularité bisontine très prometteuse. Des impulsions laser très courtes enlèvent la matière voulue sans rien affecter autour, en ne produisant que peu d’effets thermiques. Il est par exemple possible d’usiner du papier ou encore le cœur d’une fibre sans altérer sa surface même ! Haute résolution et usinage en volume de n’importe quel matériau sans effet thermique sont les deux atouts majeurs du laser femtoseconde.
– L’usinage ultrasonore est réservé aux matériaux fragiles et difficiles à graver, comme le quartz. Mis en mouvement par une sonotrode, des grains abrasifs viennent éroder leur surface.
– La microélectroérosion : un fil usine des matériaux semi-conducteurs par décharges électriques.
Exemples de réalisations par laser femtoseconde
L’existence d’une équipe de recherche en temps-fréquence, de surcroît spécialisée en piézoélectricité, implique Besançon dès les années 1960 dans la collaboration industrielle. Boostée par des objectifs concrets et majeurs, elle maintient sa longueur d’avance au fil des années et figure toujours en excellente place dans la compétition internationale. Fort de cette longue expérience, le quartz n’a plus de secret pour les chercheurs et sa fiabilité est largement éprouvée. À tel point que, à partir d’une conception assistée par ordinateur, les prévisions théoriques de comportement du matériau et la réalité technique sont en parfaite adéquation !
Le quartz possède une qualité de structure exceptionnelle et présente notamment des orientations cristallines peu sensibles aux variations de température. Il est utilisé pour la microfabrication d’oscillateurs stables, de filtres radiofréquence et autres composants passifs pour le traitement du signal, et de capteurs. Activés par l’envoi d’ondes électromagnétiques, ces éléments présentent la particularité de fonctionner à plusieurs mètres de distance sans énergie ni électronique embarquées. La langasite est un matériau cristallin développé dans les années 1970-80 par la Russie pour remplacer le quartz. Plus efficaces encore, ses couplages piézoélectriques sont plus élevés et sa tenue en température est très supérieure. Un atout capital dans un grand nombre d’applications industrielles, comme les composants placés dans les pots d’échappement des voitures ou les réacteurs d’avions.
Réaliser des composants à une échelle aussi fine que celle du micron tient de la prouesse technologique. Actionneur électrostatique en silicium, diode laser, microlentille en verre, membranes mobiles ou transducteurs piézoélectriques… combiner les matériaux et assembler les éléments s’avère aussi être un tour de force et requiert des technologies spécifiques. Des contraintes résiduelles thermiques et de dilatation s’ajoutent à celles liées aux propriétés de matériaux par ailleurs rendus fragiles par leur petitesse. Le casse-tête se complique encore lorsqu’il s’agit de créer des structures multi-wafers, associant les composants de plusieurs plaquettes entre elles. Cinq, six ou sept wafers ? Entre le premier et le dernier, la tolérance d’imprécision ne doit pas dépasser 5 μm…
– Le flip-chip : cette méthode récente permet de relier les différents composants par contact. Des pistes métalliques, déposées sur les éléments à connecter, sont reliées par une goutte de « colle » elle aussi métallique, ce qui permet de sceller définitivement les éléments et de créer par ailleurs un contact électrique.
– Les technologies de wafer bonding (soudure anodique verre-silicium, collage SU8 ou thermo- compression d’or) sont des méthodes très fréquemment utilisées, qui permettent d’assembler des wafers entiers. Cette méthode d’assemblage collective est donc très intéressante au niveau industriel.
Pour réaliser un microsystème complet en assemblant tous ses composants élémentaires, on peut combiner toutes ces technologies pour aboutir à un empilement de wafers. Mais il n’est pas toujours possible, ni rentable, d’intégrer monolithiquement ces composants, notamment lorsqu’ils sont fabriqués par des technologies hybrides permettant certes la qualité optimale, mais non compatibles entre elles. L’étape de microassemblage devient ici indispensable, garantissant la haute qualité du dispositif. Dans ce but, une approche de microassemblage sur microbanc optique, en silicium par exemple, peut être proposée.
– Sur un tel microbanc, tous les éléments se positionnent de manière éclatée, mais selon des configurations très précises, sur une table plane et parfaitement stabilisée. Des cavaliers porteurs des éléments se déplacent sur rails pour permettre leur rapprochement. Micropinces, guides et autres astuces techniques assurent par maintien mécanique leur assemblage.
Exemples de réalisations de micromoulages par injection (engrenages : diamètre 1 mm)
Le niobate de lithium est un matériau très particulier, car ses propriétés optiques changent en présence d'un champ électrique, d'un faisceau lumineux, d'un champ acoustique ou d'une variation de température. Ces propriétés ont intéressé le département d'Optique de FEMTO-ST dès le début des années 1990. En 2003, en exploitant le FIB de la centrale bisontine, les chercheurs montrent qu'il est possible de réaliser des structures périodiques de dimensions inférieures au micromètre, appellées cristaux photoniques, sur ce matériau pourtant très difficile à graver.
Avec ce premier résultat, il est désormais possible de réduire d'un facteur 1 000 l'encombrement des composants classiques… La démonstration est faite en 2006 avec la réalisation du premier micromodulateur électro-optique en niobate de lithium. Sa longueur active (13 μm) est mille fois plus petite que celle d'un composant classique ! Ce travail, récompensé par le micron d'or en 2008, a donné lieu au développement de composants miniaturisés, comme les modulateurs acousto-optiques, des « superprismes » ou des microcapteurs, qui ont tous des applications en télécommunications, détection des champs électriques ou détection de gaz.
Les démonstrations ont jusqu'ici été faites à l'aide du FIB. Si celui-ci est performant pour la réalisation de petits motifs de quelques micromètres, il montre vite ses limites lorsqu'on veut effectuer de la production de masse : il faudrait par exemple 44 heures pour usiner une matrice de 5 000 trous ayant un diamètre de 400 nm ! Des recherches sont actuellement en cours pour graver le matériau à l'aide de techniques collectives telles que la RIE ou la DRIE. En adaptant ces technologies aux spécificités du niobate de lithium, les ingénieurs de la centrale MIMENTO ont montré qu'on pouvait graver des trous avec des aspects similaires à ceux obtenus par FIB… et même mieux : ils ont développé des cônes extrêmement lisses, avec des rapports largeur / hauteur (facteur de forme) supérieurs à 3. Ces performances constituent à l'heure actuelle un record, qui pourra être exploité pour la mise en œuvre de capteurs. D'autres développements originaux sont actuellement en cours, confirmant toujours l'expertise locale sur le sujet.
Images MEB de nanocônes LiNbO3 obtenus par échange protonique suivi d'une RIE
Crédits photos : Institut FEMTO-ST et Institut Pierre Vernier
Contact :
Institut FEMTO-ST – Université de Franche-Comté / UTBM / ENSMM / CNRS :
Sylvain Ballandras – Département Temps-fréquence – Tél. (0033/0) 3 81 40 29 55
Franck Chollet – Département MN2S – Tél. (0033/0) 3 81 85 39 31
Nadège Courjal – Département d’Optique – Tél. (0033/0) 3 81 66 55 85
Jean-Claude Gelin – Département de Mécanique appliquée – Tél. (0033/0) 3 81 66 60 35
Christophe Gorecki – Département MN2S – Tél. (0033/0) 3 81 66 66 07
Jean-Claude Jeannot – Département MN2S – Responsable de la centrale MIMENTO – Tél. (0033/0) 3 81 85 39 75
Chantal Khan Malek – Département MN2S – Tél. (0033/0) 3 81 85 39 35
Institut Pierre Vernier :
Pascal Blind – Tél. (0033/0) 3 81 40 57 09
