Les technologies salle blanche propres à la microélectronique sont maintenant adaptées à la micromécanique et aux microsystèmes, ce qui permet de réaliser des pièces complexes telles que des roues dentées, des actionneurs, des moteurs… tout en gardant les avantages de la production microélectronique : une grande précision sur des grandes séries. Néanmoins, un verrou persiste encore sur l'épaisseur des pièces réalisables. Un pas de plus est franchi en Franche-Comté. Une aubaine pour les industries utilisant la micromécanique (l'horlogerie, l'aérospatiale, le biomédical, les télécommunications, l'automobile…).
L'industrie microélectronique a mis en œuvre tout un ensemble de technologies pour la fabrication des composants : dépôts de couches minces conductrices (métaux) ou isolantes (oxydes et nitrures principalement), gravure par voie humide ou par plasma (RIE)…
La technologie centrale et fondatrice reste la photolithographie, mariage moderne de la photographie et de la lithogravure. Ce procédé permet de transférer un motif d'un masque sur une résine déposée préalablement sur un wafer.
Cette réplication est très fidèle et précise (de l'ordre du micromètre). Les motifs transférés sur la résine définissent, à chaque étape de fabrication, des zones qui devront soit être gravées, soit accueillir un dépôt de matériau. La succession des différentes étapes aboutit à des architectures complexes telles que celles des microprocesseurs.
Cependant, une des caractéristiques des composants microélectroniques est leur caractère planaire : ils sont composés d'un grand nombre de couches élémentaires, mais chaque couche est elle-même très fine.
Dès les années 70, le mariage de la précision micronique et du caractère collectif low cost des techniques de la photolithographie et des techniques de gravure profonde du silicium développées pour la demande foudroyante de la microélectronique, s'est révélé être une alternative possible pour la fabrication de microsystèmes et la miniaturisation de systèmes mécaniques.
Or, ces technologies ayant été initiées pour des applications exclusivement électroniques, et donc planaires, le verrou crucial a été et reste encore leur adaptation à des épaisseurs de deux à trois ordres de grandeur supérieurs aux enjeux initiaux. Qui plus est, le facteur de forme très élevé des géométries des pièces mécaniques visées engendre généralement une très forte anisotropie des processus à développer.
Ainsi, peu à peu, des développements et des aménagements ont été réalisés de façon à intégrer progressivement la troisième dimension : usinage chimique anisotrope du substrat de silicium, mise en œuvre de dépôts plus épais par dépôt galvanique ou par dépôt en voie sèche (évaporation, pulvérisation cathodique…). L'industrie des MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) et des MOEMS (Micro Opto Electro Mechanical Systems), et toutes leurs promesses, était née. Ces systèmes sont en effet des transducteurs, convertissant un signal électrique en énergie mécanique ou en signal optique, ou l'inverse. Ils sont généralement utilisés comme capteurs ou actionneurs.
Photos Pierre Guénat
L'Institut FEMTO-ST est fortement impliqué dans ces procédés de miniaturisation, et dispose de l'ensemble des technologies nécessaires à la réalisation de ces microsystèmes dans sa centrale de technologie MIMENTO. Le département Développements technologiques – CTMN de l'Institut Pierre Vernier s'appuie sur lui pour adapter, industrialiser et diffuser les technologies développées par l'institut de recherche.
La miniaturisation reste une préoccupation constante des entreprises de l'industrie micromécanique, et les technologies de microfabrication laissent entrevoir la conception de composants micromécaniques, sous réserve de maîtriser les épaisseurs que demandent leurs fonctions. Parmi les différentes technologies de microfabrication déployées par FEMTO-ST, deux se sont principalement démarquées pour la réalisation de composants purement mécaniques : la LIGA UV pour les pièces métalliques, et la DRIE pour les pièces en silicium. Ce sont elles que le Département Développements technologiques – CTMN développe depuis deux ans, avec le soutien d'OSÉO, pour répondre à ces exigences fonctionnelles.
La DRIE (Deep Reactive Ion Etching) est une technologie de gravure dite sèche (par opposition à la voie humide, mise en œuvre dans des bains de gravure), opérée dans un plasma.
Cette technologie est une évolution de la technologie RIE (Reactive Ion Etching) déjà largement utilisée dans l'industrie microélectronique. Mais les sélectivités de gravure atteintes ne permettaient que de graver sur des profondeurs très faibles, de l'ordre du micromètre.
La DRIE met en œuvre alternativement des phases de gravure ionique et des phases de dépôt de polymère, permettant ainsi de régénérer continuellement le masque de gravure. Ce masque est préalablement défini par photolithographie, et les structures obtenues bénéficient ainsi des précisions dimensionnelles propres à cette technologie.
Il est maintenant possible de réaliser des pièces telles que des systèmes d'échappement de montre ou des chaînes d'engrenages.
La LIGA UV (LIthography Galvanoformung Abformung UV) permet, quant à elle, la réalisation de pièces métalliques. Contrairement à la DRIE, les composants finaux sont obtenus par apport de matière.
Une résine photosensible épaisse est tout d'abord déposée sur un substrat conducteur. Par photolithographie, la résine est structurée de façon à obtenir une matrice dans laquelle seront électroformées les pièces à réaliser. Dérivée de la LIGA X qui, elle, nécessite un synchrotron, la LIGA UV est utilisée depuis de nombreuses années. Mais ce n'est que maintenant que les épaisseurs maîtrisées atteignent 600 micromètres et deviennent compatibles avec les fonctions mécaniques des composants.
Les métaux accessibles aujourd'hui par électroformage sont des métaux simples : nickel, cuivre et éventuellement or, le nickel étant le matériau le plus utilisé pour les composants mécaniques (engrenages, outils de mise en forme des polymères…). Des développements sont en cours pour permettre la réalisation d'alliages, et élargir ainsi la gamme des matériaux disponibles.
L'application de ces deux dernières technologies se trouve dans la micromécanique et dans les secteurs qui l'utilisent.
Elles lèvent certains verrous rencontrés par des technologies plus conventionnelles comme l'usinage par électroérosion au fil : les formes accessibles sont beaucoup plus libres que celles réalisables au fil, technologie avec laquelle il est par exemple impossible de réaliser des angles sans congés (le congé étant imposé par la forme du fil elle-même). Les précisions obtenues sur les pièces, de l'ordre du micromètre, sont également très difficiles à obtenir par les technologies de la mécanique conventionnelle.
Contact : Christophe Roux
Développements technologiques
Institut Pierre Vernier
Tél. (0033/0) 3 81 40 57 08
