Le micro-usinage chimique de monocristaux est utilisé en microtechniques pour la fabrication collective de dispositifs mécaniques constituant les éléments sensibles de capteurs (de grandeurs mécaniques) ou de résonateurs. En effet, lattaque chimique étant gouvernée par lorientation du cristal (le micro-usinage est alors dit anisotrope Ÿ), ce procédé présente lavantage de fournir des microstructures de formes et de dimensions reproductibles. Typiquement, la forme finale dune structure 3D usinée chimiquement à partir dune lame cristalline recouverte partiellement dune couche de masquage (masque) dépend, pour un bain dattaque spécifique, de lorientation de la lame. Les monocristaux présentent des anisotropies différentes. Ainsi, le cristal de silicium possède une anisotropie de type 1 : les structures 3D micro-usinées sont limitées par un petit nombre de plans cristallins et leurs contours sont constitués dune succession de segments linéaires.
• Micro-usinage d'une structure membrane-mesa centrale dans une lame de silicium d'orientation (551) à partir d'une combinaison de masques circulaires
• Le cristal de quartz est lobjet dune attaque de type 2 : les flancs des structures sont incurvés car composés par les intersections successives de surfaces cristallines et les contours conservent grossièrement la forme du masque. Si ce procédé de microfabrication est actuellement mis en ¶uvre pour les cristaux de silicium et de quartz, il peut être étendu à dautres monocristaux comme le germanium, larséniure de gallium ou lantimoniure dindium. De la caractérisation expérimentale à la simulation Lintérêt des travaux effectués au laboratoire de Chronométrie électronique et piézoélectricité de lENSMM ? École nationale supérieure de mécanique et des microtechniques ? réside dans la mise en ¶uvre détudes complémentaires qui couvrent trois aspects essentiels du micro-usinage chimique : la caractérisation expérimentale de lanisotropie, la modélisation de lattaque chimique anisotrope et la simulation des formes usinées 2D et 3D. La caractérisation couvre létude des états géométriques des surfaces usinées, les modifications des formes 2D (lames circulaires, sillons) induites par lattaque chimique, ainsi que la microfabrication de structures simples de type membrane-mesa*. Pour chaque monocristal, quinze à vingt orientations différentes de lames sont explorées. Lanisotropie de lattaque chimique est décrite théoriquement à laide dune surface représentative de la lenteur de dissolution. Un modèle tensoriel original a été développé où léquation de cette surface de la lenteur fait intervenir des constantes de dissolution (composantes de tenseurs de dissolution).
• Il sagit donc dextraire les valeurs de ces constantes des études expérimentales, ce qui nécessite une analyse rigoureuse des formes usinées. Des jeux de constantes de dissolution ont été déterminés pour le silicium** et le quartz***. Le modèle tensoriel autorise le calcul, au cours de lusinage, des déplacements de tous les éléments de surface potentiellement présents sous un masque. Il permet donc de construire numériquement la forme usinée dune microstructure 3D. ž Lune des originalités des travaux a consisté à développer un logiciel de simulation TENSOSIM qui utilise comme base de données les jeux de constantes de dissolution. Ce logiciel reproduit avec succès les formes usinées de structures membrane-mesa.
• Simulation d'une structure membrane-mesa (plan (551))
• Parce quil travaille avec des masques de forme quelconque déposés sur des lames de toutes orientations, il offre potentiellement des solutions pour lexploration des divers problèmes technologiques inhérents au procédé de micro-usinage chimique (dégradation des états de surfaces, formation de plans bloquants, sous-gravures). La sous-gravure en coin convexe, par exemple, limite la fabrication de mesas en silicium. Les travaux actuels portent donc sur la conception de masques de compensation qui autoriseraient la fabrication de mesas de forme idéale (carrée, typiquement). Le logiciel permet doptimiser la forme et les dimensions du masque de compensation pour des lames de silicium de diverses orientations.
• Evolution d'une compensation de type poutre Ÿ au cours de l'usinage (plan (110) et poutre alignée )
• De plus, il aide efficacement à reconstituer et expliquer les défauts de formes et les écarts de dimensions de structures qui résultent dune légère erreur dalignement du masque. Une autre application, explorée dans le contexte du micro-usinage double face, porte sur les effets induits par une coïncidence imparfaite des masques recouvrant les deux faces. Enfin, la caractérisation de lanisotropie de lattaque chimique du monocristal darséniure de gallium par différents bains dattaque est également en cours détude. Lattaque chimique de ce monocristal relève plutôt dun type 2 et plusieurs jeux de constantes de dissolution sont actuellement testés. À terme, le logiciel TENSOSIM doit permettre dexplorer toutes les possibilités de microfabrication de structures 3D dans divers plans darséniure de gallium.
Colette Tellier
Laboratoire de Chronométrie électronique
et piézoélectricité (LCEP)
ENSMM Besançon
Tél. 03 81 40 28 30
ctellier@ens2m.fr