Université de Franche-Comté

Technologie DRIE et silicium, une heureuse association

Aujourd’hui incontournable dans le domaine des MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems), la technique DRIE (Deep Reactive Ion Etching) permet de graver des substrats sur des épaisseurs de plusieurs dizaines de micromètres, voire de fabriquer des pièces micromécaniques avec une très grande précision. Elle s’applique particulièrement bien au silicium, pour lequel la maturité de cette technologie (via le procédé Bosch notamment) permet d’obtenir des gravures d’une grande verticalité, donnant ainsi de nouvelles perspectives à un matériau aux propriétés mécaniques singulières.

 

 

Précision extrême et grande liberté dans la définition des profils accessibles font de la DRIE (Deep Reactive Ion Etching) une technologie de fabrication ouvrant de nouvelles perspectives pour les microtechniques. À l’étape de photolithographie, le transfert d’un masque permet la reproduction, sur le substrat à usiner, du motif qui, en bout de chaîne, donnera un marquage sur le matériau ou une pièce extrudée sur toute l’épaisseur du substrat.

 

La précision du procédé photo, capitale, permet d’atteindre des tolérances de l’ordre du micromètre, élargissant le champ des possibilités des concepteurs et des techniciens.

 

La gravure elle-même, produite par une judicieuse combinaison de fonctions mécaniques (bombardement ionique) et de mécanismes chimiques (effet des gaz réactifs introduits avec le silicium), est capable de réaliser aussi finement le motif qu’il a été au préalable dessiné par la photolithographie. L’ensemble de la technologie trouve des applications dans le domaine micromécanique et permet la fabrication d’aiguilles ou de pièces au design particulier, qu’il est possible de colorer à partir d’oxydes thermiques, ou d’autres technologies connexes à la microélectronique. La DRIE est un procédé collectif de fabrication : plusieurs centaines de pièces peuvent être réalisées sur un seul wafer.

 

Depuis quelques années, la technologie DRIE s’applique au matériau roi de la microélectronique et plus récemment des microtechniques, le silicium.

 

 

Principe de base

Le substrat à usiner est placé dans une chambre sous vide, dans laquelle on introduit un gaz ionisé (ou plasma). Sous l’effet d’un champ électrique, les ions se mettent en mouvement et assurent un effet mécanique, lié aux chocs des ions sur le substrat. Des gaz réactifs sont également introduits ; la réaction de ces gaz avec le matériau du substrat assure un effet chimique supplémentaire. Le type de matériau détermine la nature du gaz employé ; dans le cas du silicium, on privilégie des gaz fluorés comme l’hexafluorure de soufre (SF6).

 

Cette description définit la technologie RIE. L’adjectif « deep » qui lui est associé indique une technicité du procédé plus grande encore. La profondeur de gravure réalisable par RIE est en effet limitée par l’épuisement du masque utilisé, lui aussi attaqué lors de la gravure du substrat. Dans la DRIE, différentes stratégies sont employées pour améliorer la durée de vie du masque définissant le motif à graver, par la maîtrise des cinétiques des différentes réactions prenant place au sein de l’enceinte. La gravure sur silicium peut ainsi atteindre des ordres d’épaisseur de 500 μm à 1 mm.

 

 

Des plans cristallins sans influence

La gravure verticale s’accompagne, au cours du même cycle, d’une phase de dépôt du gaz fluoré, provoquant la passivation des flancs de la pièce en silicium au fur et à mesure de son usinage. Cette action est fondamentale car elle définit l’anisotropie de la gravure suivant l’axe de bombardement des ions et indépendamment de l’orientation des plans cristallins constitutifs du matériau. La gravure du silicium s’est ouverte à la réalisation de profils beaucoup plus complexes, autorisant la fabrication de pièces aux formes les plus fantaisistes qui soient.

 

Utilisé suivant toute l’épaisseur du substrat — il s’agit certes de pièces micrométriques, mais pouvant atteindre 1 mm d’épaisseur ! — le silicium garde en outre toutes les propriétés mécaniques qui le caractérisent et le différencient des métaux usuellement mis en œuvre. Semi-conducteur, plus léger que l’aluminium, le silicium ne subit pas de fluage, ou hystérésis, pas plus que de fatigue. Poli à une finesse quasi nanométrique, il donne naissance à des wafers d’une qualité de surface excellente. Seule précaution à prendre : ne pas dépasser sa limite élastique.

 

Grâce à la DRIE, le silicium fait ses preuves et remporte peu à peu l’adhésion de certaines professions comme l’horlogerie, jusqu’à présent utilisatrice de pièces mécaniques exclusivement métalliques. Des pièces en silicium obtenues par DRIE sont d’ores et déjà présentes dans les tourbillons de montres mécaniques. La fabrication du spiral, le ressort circulaire constituant l’un des éléments du balancier, s’avère même désormais possible ; elle intègre de plus directement la fabrication de la virole, une pièce centrale qui maintient le spiral à l’axe du balancier, ce qui s’avère impossible avec les techniques de fabrication traditionnelles nécessitant un assemblage. La fabrication de spiraux par DRIE a été mise au point au cours de la dernière décennie. Elle apporte la possibilité d’utiliser le silicium en lieu et place du métal, d’exploiter la précision dimensionnelle qu’elle autorise, et les perspectives qu’elle laisse envisager pour la conception et la fabrication de systèmes miniaturisés ont déjà convaincu le domaine des microsystèmes avant celui des microtechniques et de la micromécanique.

 

 

Spiral de tourbillon de montre mécanique réalisé en silicium par DRIE

 

Spiral de tourbillon de montre mécanique réalisé en silicium par DRIE

Pièces massives à étages

Travaillant à développer le potentiel applicatif de la DRIE afin de favoriser sa diffusion à d’autres sphères industrielles, les ingénieurs et techniciens de l’IPV ont mis en œuvre cette technologie pour la réalisation de microcomposants à plusieurs niveaux. Outre son intérêt propre, l’expérience, s’ajoutant à d’autres, montre combien l’association DRIE / silicium est prometteuse. D’autres avantages sont encore à inscrire à l’actif du procédé : bien que le cycle de fabrication soit court, la vitesse de la gravure est importante : 5 μm / mn ; les gaz fluorés sont faciles à manipuler et ne présentent pas de danger pour les utilisateurs ; la fabrication du masque, dont le coût a chuté ces dernières années, autorise le recours à la DRIE pour du prototypage ou des petites séries ; le silicium, l’élément le plus répandu sur Terre, est facile d’accès et relativement peu coûteux compte tenu de sa large utilisation par la microélectronique… Autant d’arguments achevant de convaincre de l’intérêt d’une technologie qui, née à la fin des années 1990, est entrée très rapidement dans les salles blanches franc-comtoises. La machine Alcatel A601E, procédé Bosch, spécialement dédiée à l’usinage du silicium, a en effet été implantée à la centrale Mimento en 2003. Un autre équipement DRIE, présentant de nouvelles performances, devrait dans les mois à venir compléter les possibilités actuellement proposées à Mimento.

 

 

Pièce massive en silicium à deux étages 

 

Pièce massive en silicium à deux étages

 

 

Contact : Susane Angers

Service communication

Institut Pierre Vernier

Tél. (0033/0) 3 81 40 57 08

 

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