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, l’attaque chimique étant gouvernée par l’orientation du cristal (le micro-usinage est alors dit anisotrope Ÿ), ce procédé présente l’avantage de fournir des microstructures de formes et de dimensions reproductibles. Typiquement, la forme finale d’une structure 3D usinée chimiquement à partir d’une lame cristalline recouverte partiellement d’une couche de masquage (masque) dépend, pour un bain d’attaque spécifique, de l’orientation 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 d’une 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 l’objet d’une 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 d’autres monocristaux comme le germanium, l’arséniure de gallium ou l’antimoniure d’indium. De la caractérisation expérimentale à la simulation L’intérêt des travaux effectués au laboratoire de Chronométrie électronique et piézoélectricité de l’ENSMM ? École nationale supérieure de mécanique et des microtechniques ? réside dans la mise en ¶uvre d’études complémentaires qui couvrent trois aspects essentiels du micro-usinage chimique : la caractérisation expérimentale de l’anisotropie, la modélisation de l’attaque chimique anisotrope et la simulation des formes usinées 2D et 3D. La caractérisation couvre l’étude des états géométriques des surfaces usinées, les modifications des formes 2D (lames circulaires, sillons) induites par l’attaque chimique, ainsi que la microfabrication de structures simples de type membrane-mesa*. Pour chaque monocristal, quinze à vingt orientations différentes de lames sont explorées. L’anisotropie de l’attaque chimique est décrite théoriquement à l’aide d’une surface représentative de la lenteur de dissolution. Un modèle tensoriel original a été développé où l’équation de cette surface de la lenteur fait intervenir des constantes de dissolution (composantes de tenseurs de dissolution).
• Il s’agit donc d’extraire 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 l’usinage, des déplacements de tous les éléments de surface potentiellement présents sous un masque. Il permet donc de construire numériquement la forme usinée d’une microstructure 3D. ž L’une 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 qu’il travaille avec des masques de forme quelconque déposés sur des lames de toutes orientations, il offre potentiellement des solutions pour l’exploration 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 d’optimiser 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 d’une légère erreur d’alignement 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 l’anisotropie de l’attaque chimique du monocristal d’arséniure de gallium par différents bains d’attaque est également en cours d’étude. L’attaque chimique de ce monocristal relève plutôt d’un type 2 et plusieurs jeux de constantes de dissolution sont actuellement testés. À terme, le logiciel TENSOSIM doit permettre d’explorer toutes les possibilités de microfabrication de structures 3D dans divers plans d’arséniure de gallium.
Colette Tellier
Laboratoire de Chronométrie électronique
et piézoélectricité (LCEP)
ENSMM Besançon
Tél. 03 81 40 28 30
ctellier@ens2m.fr
