MICROSYSTÈMES, technologie

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De la microélectronique aux microsystèmes

La microélectronique s'est développée à partir des années 1960 sur le concept du transistor, en particulier M.O.S. (metal-oxide-semiconductor), et selon la technologie de fabrication dite « planar » permettant un réalignement automatique des différentes couches technologiques mises en œuvre lors de la réalisation du circuit intégré (fig. 1). Elle a évolué ensuite vers l'ultra-miniaturisation (appelée aujourd'hui nanoélectronique) de chaque transistor afin d'augmenter la densité des fonctions et d'atteindre ainsi plus de capacité de mémoire ou une plus grande rapidité de calcul. La fabrication collective en parallèle permet aussi de diminuer le coût de fabrication car le nombre de composants fabriqués simultanément par unité de surface augmente proportionnellement à leur miniaturisation : il est de plus de 50 000 par tranche de silicium.

Microélectronique : fabrication d'un inverseur CMOS

Dessin : Microélectronique : fabrication d'un inverseur CMOS

Quelques étapes des procédés technologiques de fabrication d'un inverseur CMOS (complementary metal oxide semiconductor). Celles-ci illustrent les innovations qui ont fait le succès de ces procédés : la fabrication collective, couche par couche, des composants et le réalignement... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Parallèlement, la miniaturisation de composants et de systèmes mécaniques et micromécaniques est restée fondée sur des méthodes de fabrication traditionnelles – certes améliorées du point de vue de leur précision d'usinage et d'assemblage – dites en série, c'est-à-dire non collectives et, donc, coûteuses. L'idée de concevoir et de fabriquer des fonctions mécaniques en utilisant les technologies de la microélectronique n'est pas nouvelle. En effet, dès 1967, les laboratoires américains Bell ont proposé la structure d'un transistor M.O.S. à résonateur mécanique (à poutre vibrant mécaniquement) qui est le premier microcomposant électromécanique connu. Cependant, un effort technologique important a été nécessaire pour intégrer des pièces en mouvement, donc des structures tridimensionnelles, dans les procédés de fabrication de la microélectronique.

Réalisation de micromécanismes avec des pièces en mouvement

Pour élaborer des micromécanismes avec des pièces en mouvement, il est nécessaire d'utiliser les usinages de volume et de surface. En 1978, le physicien américain K. E. Beam a publié le procédé d'usinage chimique anisotrope du silicium qui permet d'obtenir des structures tridimensionnelles en dissolvant chimiquement et localement une tranche de silicium. Ce concept a ensuite été repris en 1982 par le Danois Kurt E. Petersen et généralisé pour promouvoir le silicium comme matériau de la micromécanique. Au cours des années 1980, plusieurs laboratoires ont proposé l'emploi, dans les processus de fabrication des microsystèmes, d'une attaque chimique locale de couches minces de silice tendre (« couche sacrifiée ») pour « libérer » les parties mobiles mécaniques des microsystèmes électromécaniques (poutres suspendues, pont, pointes) [fig. 2].

Microsystèmes : procédé d'usinage anisotrope du silicium

Photographie : Microsystèmes : procédé d'usinage anisotrope du silicium

Les structures tridimensionnelles anisotropes observées ici ont été obtenues par attaque chimique de la tranche de silicium par une solution de potasse. En dehors des motifs, le silicium est protégé par une couche mince de silice inerte à la potasse. 

Crédits : D.R./ FEMTO-ST, Besançon

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Microsystèmes : structure tridimensionnelle micro-usinée

Photographie : Microsystèmes : structure tridimensionnelle micro-usinée

Exemple d'une structure micro-usinée, obtenue en attaquant la tranche de silicium de quelque 300 micromètres d'épaisseur (jusqu'à la faire disparaître par endroits) par une solution liquide de potasse, qui représente la partie sensible d'un accéléromètre à trois axes. Les trois... 

Crédits : D.R./ FEMTO-ST, Besançon

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Microsystèmes : principe de la couche « sacrifiée »

Dessin : Microsystèmes : principe de la couche « sacrifiée »

La dissolution chimique d'une couche intermédiaire de silice tendre (SiO2), dite couche sacrifiée, permet de libérer la partie mobile d'un microsystème. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Ces nouveaux procédés ont alors ouvert la voie à de très nombreuses applications électromécaniques des microsystèmes tant dans le domaine des capteurs que dans celui des microactionneurs. L'exemple historique est celui du micromoteur « tout silicium » d'un diamètre de 150 μm fabriqué en 1989 à l'université de Berkeley. Les électrodes extérieures fixes du stator et les électrodes en étoile mobiles du rotor sont fabriquées au cours d'une même étape du procédé technologique, puis le rotor est « libéré » par dissolution locale d'une couche de silice tendre. La commande pas à pas est effectuée par commutation de champs électriques entre les électrodes successives du stator et celles du rotor. Les forces électrostatiques engendrées entraînent alors le rotor, mais le couple mécanique et la puissance mécanique sont alors extrêmement faibles, inférieurs au dixième de micronewton-mètre et au microwatt. C'est la principale limitation des microactionneurs et des micromoteurs électrostatiques « tout silicium » pour des applications aux mécanismes de très petites tailles. En revanche, l'intérêt de cette technologie de microactionneurs électrostatiques est croissant pour les sources laser et les micromiroirs utilisés pour le routage d'informations transmises par des faisceaux de lumière.

Microsystèmes : micro-moteur électrostatique rotatif en silicium

Photographie : Microsystèmes : micro-moteur électrostatique rotatif en silicium

Premier micro-moteur rotatif à excitation électrostatique latérale entièrement en silicium, élaboré en 1989 à l'université de Berkeley. Un champ électrique de l'ordre de 100 volts fait tourner le rotor à huit bras. Les électrodes fixes sont réparties par groupe de six sur le stator et... 

Crédits : D.R./ BSAC, Berkeley, Californie, USA

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Augmentation du couple mécanique et de la puissance dans les micromécanismes

L'augmentation du couple et de la puissance mécanique est obtenue soit par l'accroissement de la force électrostatique, soit par l'usage de matériaux d'actionnement provoquant une force mécanique importante ou une déformation de grande amplitude.

Le couple et la puissa [...]

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Microélectronique : fabrication d'un inverseur CMOS

Microélectronique : fabrication d'un inverseur CMOS
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Microsystèmes : procédé d'usinage anisotrope du silicium

Microsystèmes : procédé d'usinage anisotrope du silicium
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Microsystèmes : structure tridimensionnelle micro-usinée

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Microsystèmes : principe de la couche « sacrifiée »

Microsystèmes : principe de la couche « sacrifiée »
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  • : professeur, directeur scientifique des sciences et technologies de l'information et de la communication au ministère de la Recherche

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Pour citer l’article

Daniel HAUDEN, « MICROSYSTÈMES, technologie », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 20 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/microsystemes-technologie/