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Jean-Sébastien DANEL : Ingénieur IEG et ESE - Docteur-Ingénieur (Instrumentation Optique) - Ingénieur au LETI-CEA Grenoble
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le silicium monocristallin est de plus en plus employé pour la réalisation de nouveaux dispositifs mécaniques ultra-miniaturisés. Cet article vise à décrire certaines des techniques permettant l’obtention de telles structures : usinage chimique, gravure sèche, gravure électrochimique, épitaxie, scellement…
Le micro-usinage (de matériaux cristallins ou non) est fondé sur les techniques de fabrication collective, qui ont permis l’avènement des puces circuits intégrés en les rendant très peu coûteuses. Les puces sont réalisées simultanément, ce qui répartit le coût de fabrication entre toutes les pièces.
Au cours des étapes de fabrication des circuits intégrés en silicium, les technologues ont été amenés à utiliser des procédés d’attaque chimique pouvant conduire à la réalisation de formes tridimensionnelles telles que cavités, trous, pyramides, rainures, hémisphères, poutres en surplomb, membranes… Par la suite, d’autres moyens de gravure, plus complexes se sont développés.
Ce principe d’usiner des formes de très petite taille ou avec des précisions très grandes n’est pas limité au silicium, mais peut s’appliquer à d’autres substrats (quartz, germanium, arséniure de gallium…). Le silicium demeure cependant le principal matériau utilisé, du fait de l’accumulation de connaissances issues des technologies de fabrication des circuits intégrés.
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4. Conclusions
La diversité des techniques de micro-usinage actuellement disponibles et qui devrait encore augmenter dans le futur montre que ces outils constituent des moyens puissants pour élaborer des objets de très petites dimensions avec une grande précision. Il reste cependant probable qu’au vu des efforts nécessaires pour mettre au point de telles technologies et au savoir-faire déjà acquis par le silicium, la plupart des objets conçus dans le futur le seront en silicium.
Le silicium est d’autant plus intéressant que l’on peut réaliser sur un même substrat un dispositif mécanique et un traitement électronique ; c’est le mariage de la mécanique et de l’électronique.
Il restera toujours cependant une place, en fonction d’objectifs d’applications bien particulières, pour d’autres matériaux. On peut penser en particulier aux piézo-électriques (spécialement quartz), à des matériaux magnétiques ou à des matériaux pour applications optiques. La fonction électronique peut éventuellement être rapportée par hybridation d’une puce silicium.
Des perspectives encore plus amont prévoient des substrats d’un type nouveau, réalisés par scellement de silicium avec certains de ces autres matériaux. La fonction électronique réalisée en silicium pourrait donc ainsi s’interfacer avantageusement avec des fonctions diverses (mécanique, optique, magnétique…) réalisées sur cet autre matériau.
Rappelons quelques-uns des avantages de ces technologies par rapport aux techniques classiques de l’usinage mécanique : possibilité de très petites tailles (quelques centimètres à quelques dizaines de micromètres), tolérance dimensionnelle remarquable (le micromètre, voire le dixième de micromètre), coût réduit, principe de fabrication collective grande série, propriétés excellentes des matériaux.
Signalons un point important au sujet des structures obtenues par micro-usinage : elles présentent une qualité de surface bien meilleure que celles obtenues par des moyens plus classiques, et par conséquent ont une limite à la rupture bien plus élevée, proche de la limite théorique (tableau 7, cas du quartz). Une micropoutre supporte un effort 20 fois plus important qu’une poutre usinée classiquement (figure 30).
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