Brevet FR2789068A1 — publié le 20000804

Figures et dessins La figure 1 a et la figure 1 b illustrent un premier domaine technique de l'invention, à savoir le procédé d'assemblage de composants par la méthode de retournement de composant La figure 2 un second domaine technique de l'invention, à savoir le procédé de micro distribution de produits liquides ou fluides dans les micro alvéoles d'un micro composant biologique [ bio chip] La figure 3 schématise un système optique à obturation centrale. La figure 4 schématise un système optique sans obturation centrale. 0o La figure 5 illustre l'amélioration des capacités de résolution optique du système. La figure 6 illustre le schéma optique de base de l'invention. La figure 7 illustre le schéma optique de base de l'invention, utilisant un objectif catadioptrique. La figure 8a et la figure 8b illustrent un premier exemple de mode de fonctionnement de lI'invention. La figure 9a et la figure 9b illustrent un second exemple de mode de fonctionnement de l'invention. La figure 1 Qa et la figure 1 Ob illustrent un troisième exemple de mode de fonctionnement de l'invention. La figure 1 1 a et la figure 1 1 b illustrent un quatrième exemple de mode de fonctionnement de l'invention. La figure 12 illustre le principe de base de l'invention. La figure 1 3 et la figure 14 illustrent un exemple de mode de réalisation de l'invention. Domaines techniques de l'invention La présente invention concerne un dispositif destiné à la visualisation de deux microcomposants ou de deux microsystèmes, devant être alignés l'un par rapport à l'autre. L'invention est appliquée dans les domaines des micro technologies et des micro bio technologies. En premier lieu, I'invention est applicable lors de l'alignement et du positionnement relatif de composants par la méthode de retournement de composant. En second lieu, I'invention est applicable lors de l'alignement et du positionnement relatif d'un composant [puce electronique ou opto électronique] par rapport à une ou un ensemble de micro buses de distribution de produits non solides. En troisième lieu, I'invention est applicable lors de l'alignement et du positionnement relatif d'un micro composant biologique [ bio puce) avec une ou un ensemble de micro buses de distribution de produits non solides. Le procédé d'assemblage par la méthode de retournement de composant est schématisé dans les figures (1 a] et [1 b]. En référence à la figure 1 a, la méthode de report de composants considérée consiste à déposer de manière précise un ou plusieurs composants (1) sur un substrat [2]. En règle générale, le composant [1) et le substrat [2] ne sont pas transparents. Pour assurer la précision de dépose des repères d'alignement [3) et (4) peuvent être respectivement tracés sur la face inférieure du composant [1) et la face supérieure du substrat [2). L'assemblage final du dispositif peut être réalisé par collage, soudure ou adhérence naturelle grâce à la présence éventuelle de plots [5) et [6] de soudure ou de colle présents respectivement sur le composant [1] et/ou le substrat (2]. Toute autre méthode d'assemblage peut s'envisager. Cet assemblage final constitue un nouveau composant hybride figure 1 b. La micro distribution sur un composant micro biologique [bio puce] est figurée sur la figure 2. Le substrat [2) est pourvu d'une nappe d'alvéoles microscopiques [7) dans lesquelles doivent être déposées des micro gouttelettes (8] à l'aide d'une buse [9]. Les gouttelettes peuvent être déposées dans les alvéoles grâce à un mouvement relatif entre la buse (9] et le composant (2). Les gouttelettes peuvent aussi être projetées dans les alvéoles sans qu'il soit nécessaire de déplacer la buse ou le substrat. A titre d'exemple non limitatif, les moyens utilisés pour la projection des micro gouttes peuvent être mécanique, électrostatiques, électroniques, optiques, pneumatiques, magnétiques, ou une combinaison des moyens cités précédemment. Etat des techniques antérieures L'assemblage de petits composants [taille de l'ordre de 0.2mm à 5mm], pour lesquels une grande précision de positionnement est requise (de l'ordre de 0.5pm à quelques pm], fait très généralement appel à des techniques de visualisation microscopique pour aligner les composants avant de procéder à leur assemblage. Ces techniques doivent avoir une résolution optique élevée afin d'être aptes à visualiser des détails très fins tels que des motifs d'alignement de quelques micromètres de dimension réalisés par lithographie optique, ou des micro alvéoles de quelques micromètres de dimension. Des déplacements relatifs de quelques fractions de micromètres entre les composants doivent pouvoir également être détectés ou visualisés. Dans le cas d'applications industrielles, les méthodes de visualisation doivent autoriser des transferts rapides de composants, minimiser les longueurs de déplacement, minimiser les mouvements de sous-ensembles mécaniques lourds ou encombrants. Les mêmes contraintes se posent lors de l'alignement et du positionnement relatif d'un composant micro optique, micro électronique ( puce électronique], opto électronique (diode laser, photodiode], micro mécanique, par rapport à une ou un ensemble de micro buses de distribution de produits non solides. Les mêmes contraintes se posent lors de l'alignement et du positionnement relatif d'un micro composant biologique [ bio puce] avec une ou un ensemble de micro buses de distribution de produits non solides. Lorsque les capacités de résolution optique sont privilégiées, il est généralement fait appel à des systèmes de visualisation microscopiques encombrants, visualisant les dispositifs à aligner à l'aide de deux objectifs de microscope appairés. Ces méthodes nécessitent l'escamotage du dispositif d'alignement avant le report, ou de procéder à l'alignement sur un poste éloigné. Elles pénalisent ainsi les hautes cadences de report dans les applications industrielles. L'appairage ou lacalibration relative des deux objectifs utilisés constitue une difficulté supplémentaire. Lorsque les hautes cadences de report sont privilégiées, il est en général fait appel à des systèmes de visualisation ayant une grande distance de travail (distance importante entre l'objectif du système de visualisation et l'objet visualisé), une faible ouverture numérique, et visualisant les composants à l'aide de lamessemi réfléchissantes inclinées [ c'est à dire en incidence non normale) ou de cubessemi réfléchissants. L'introduction dans le trajets optique de tels éléments limite les possibilités de résolution en introduisant des aberrations, ou nécessite de grandes distances de travail, pénalisant les capacités de résolution optique. Les méthodes actuelles ne permettent pas actuellement de concilier la haute précision d'alignement, la haute résolution optique et les hautes cadences nécessaires à une industrialisation des techniques d'assemblage ou de micro distribution. Exposé de l'invention Le dispositif selon l'invention permet la visualisation microscopique pour aligner des composants avant de procéder à leur assemblage, ou pour le positionnement relatif d'un composant par rapport à une ou un ensemble de micro buses de distribution de produits liquides. Le dispositif selon l'invention est apte à visualiser des détails très fins tels que des motifs d'alignement quelques micromètres de dimension réalisés par lithographie optique, ou des micro alvéoles de quelques micromètres de dimension. Des déplacements relatifs de quelques fractions de micromètres entre les composants peuvent ainsi être détectés ou visualisés par le dispositif selon l'invention. L'invention peut être intégrée à des équipements industriels à hautes cadences nécessaires à une industrialisation des techniques de micro assemblage ou de micro distribution. Le dispositif selon l'invention est principalement constitué d'un système de visée à obturation centrale (22], une lame plane parallèle (24] transparente pourvue sur l'une de ces faces d'un traitement semi réfléchissant, un dispositif mécanique (1 1] de maintien d'un composant [1], la lame [24] dont la normale est confondue avec l'axe optique du système de visée (22], formant sur la face supérieure d'un substrat (2] l'image virtuelle de la face inférieure du composant [1). Un système optique à obturation centrale est caractérisé par le fait que les faisceaux lumineux émergents du point d'un objet constituent des cônes creux, alors que dans le cas d'un système optique traditionnel, ces faisceaux constituent des cônes pleins. La figure 4 représente un système optique sans obturation centrale. Les faisceaux lumineux issus des points de l'objet [19] ont des sections [20] pleines. Le système optique [21] forme une image (23] de cet objet dans son plan image. La figure 3 représente un système optique à obturation centrale. Les faisceaux lumineux issus des points de l'objet (1 9] ont des sections [20] annulaires. Le système optique (22) forme une image de cet objet dans son plan image (23]. Aucun faisceau lumineux n'occupant le centre du système optique [22], le volume défini par l'intérieur du cône lumineux peut donc être occupé par divers éléments mécaniques. Cette particularité est mise à profit pour loger la partie terminale du dispositif [11) de maintien du composant [1] ou pour loger la partie terminale de dispositif de micro distribution [9]. La figure 5 illustre qu'une amélioration de la fonction de transfert de modulation du système optique pour les hautes fréquences spatiales est obtenue par la présence de l'obturation. * La grandeur S0 est le diamètre extérieur de l'ouverture de l'objectif. * La grandeur S est le diamètre extérieur de l'obturation de l'objectif. * La grandeur C est représentative du contraste avec lequel l'image d'un objet de fréquence spatiale v est obtenue dans le plan image du système optique. M NA est l'ouverture numérique image du système. * X est la longueur d'onde de la lumière utilisée par le système optique. * v est la fréquence spatiale de l'objet dont on fait l'image. * vo est la fréquence de coupure du système, au delà de laquelle aucune formation d'image n'est possible. La courbe A représente la fonction de transfert de modulation d'un système optique sans aberrations lorsqu'il est utilisé sans obturation centrale [ S/SO = 0). La courbe B représente la fonction de transfert de modulation d'un système optique sans aberrations lorsqu'il est utilisé avec une obturation centrale [ S/SO = 0.5]. On constate que pour les hautes fréquences spatiales, la fonction de transfert de modulation du système est améliorée avec une obturation centrale. La figure 6 représente le schéma optique du dispositif selon l'invention. Un composant [1] est maintenu au dessus d'un substrat [2) sur lequel il doit être déposé après avoir été aligné. Sur le dispositif (11) de maintien du composant, le composant peut être retenu par le vide [maintien par aspiration) les forces électrostatiques, le magnétisme, ou autres. Une lame plane et parallèle semi réfléchissante (24) est insérée entre le composant (1) et le substrat [2). La position de la lame (24) est réglée de telle manière que si on considère un point B du composant [1], la lame [24) va créer l'image virtuelle B' du point B confondue avec un point A du substrat (2] Ce réglage s'effectue, soit en déplaçant la lame [24), soit en déplacçant le dispositif mécanique (11]. On observe dans le plan image (23) du système optique une image réelle A' de la face supérieure du substrat [2] superposée avec une image réelle B" de la face inférieure du composant [1]. Dès lors, il est possible de visualiser en même temps les motifs (3] d'alignement du composant [1] et les motifs [4) d'alignement du substrat [2), et de corriger par les mouvements mécaniques appropriés la position de l'un par rapport à l'autre. Dans la mesure ou la surface de la lame [24) est parfaitement perpendiculaire à la trajectoire [1 0] de dépose du composant (1) sur le substrat (2), les écarts de position finale entre le composant (1) et le substrat (2] seront exactement ceux visualisés par le système optique [22]. A titre d'exemple non limitatif, la visualisation des images peut se faire à l'aide d'un dispositif oculaire, d'une chambre photographique ou d'une caméra vidéo. Selon des modes particuliers de réalisation, la lame semi réfléchissante (24) comporte un traitement dichroîque sur sa face réfléchissante, transmettant une partie du spectre lumineux utilisé par le système de visualisation pour la formation de l'image A' du substrat (2), réfléchissant une autre partie du spectre lumineux utilisé par le système de visualisation pour la formation de l'image B" du composant (1). Selon un mode particulier de réalisation illustré figure 7, I'obturation centrale du dispositif de visée [22) peut être constituée par une partie du dispositif de visée [22), notamment dans le cas de l'utilisation d'objectifs catadioptriques. La figure 8a et la figure 8b représentent un premier mode de fonctionnement du dispositif selon l'invention. A l'issue la phase d'alignement, la lame (24] est escamotée et le dispositif mécanique (11) dépose le composant [1] sur le substrat (2]. La figure 9a et la figure 9b représentent un second mode de fonctionnement du dispositif selon l'invention. La lame [24] est munie d'une ouverture permettant au dispositif mécanique [1 1] de déposer le composant [1] sur le substrat (2] à travers la lame [24] restée en place. La figure 1 Oa et la figure 1 Ob représentent un troisième mode de fonctionnement du dispositif selon l'invention. La lame [24] est munie d'une ouverture permettant au dispositif de distribution [9] de projeter une micro goutte [8) dans les micro alvéoles [7] du substrat [2] à travers la lame [24] restée en place. La figure 1 1 a et la figure 1 1 b représentent un quatrième mode de 1o fonctionnement du dispositif selon l'invention. La lame [24] est munie d'une ouverture permettant au dispositif de distribution [9] de déposer une micro goutte [8] dans les micro alvéoles (7] du substrat [2] à travers la lame (24] restée en place. La figure 12 représente un possible agencement schématique du dispositif selon l'invention. L'obturation centrale du système optique [22] est provoquée par l'extrémité du dispositif [11] de maintien du composant [1]. Dans ce cas, I'obturation centrale s'étend au delà du centre du système optique, selon plusieurs zones. Les sections [20] des faisceaux lumineux se présentent alors sous forme de secteurs d'anneaux. * Le dispositif décrit permet d'éliminer les problèmes d'appairage de plusieurs systèmes de visée grâce à l'utilisation d'un seul système de visée microscopique pour lI'alignement des deux composants. La lame plane [24] formant en B' une image au grandissement exactement unité de la surface inférieure du composant [1).ou du système de distribution [9]. * Le dispositif décrit permet la dépose du composant [1) sur le substrat [2) sans avoir à déplacer le système de visée microscopique [22]. M Le dispositif décrit permet de minimiser la distance entre le composant [(1] et le substrat [2] lors de la phase d'alignement des deux composants. * Le dispositif décrit permet la d'utiliser des dispositifs de visée [22) à forte ouverture numérique, compatibles avec de fortes résolutions et de forts grandissements, en conséquence d'autoriser une grande précision de placement du composant (1] ou du système de distribution [9] par rapport au substrat [2] ou aux micro alvéoles [7). * Le dispositif décrit permet la visualisation de la surface inférieure du composant [1] et de la surface supérieure du substrat [2] sans effet de parallaxe. * Le dispositif ne nécessite au plus que l'escamotage de la lame [24] après la phase d'alignement pour procéder au report de composant ou à la micro distribution. La lame étant un élément très léger [typiquement: quelques grammes), l'escamotage peut être exécuté de manière très rapide ( typiquement 0.2sec], donc de manière compatible avec de hautes cadences de production. * Le dispositif permet de minimiser la distance entre les dispositifs à aligner [typiquement, la distance AB est comprise entre 10 et 20 mm]. Le mouvement de report de composant ou de dépose de gouttelette peut être exécuté de manière très rapide [ typiquement O.2sec], donc de manière compatible avec de hautes cadences de production. Exemple d'un mode de réalisation de l'invention Les figures 13 et 14 représentent un mode de réalisation de l'invention, comportant un dispositif de visée [22], ( par exemple: microscope de mesure], un dispositif [11] de maintien de composant (1], réglable par l'intermédiaire d'une table à déplacement micrométrique [26), une lame semi réfléchissante [24] et son dispositif d'escamotage [25], un substrat (2] et un dispositif d'alignement de substrat (27]. Dans le cas représenté à titre d'exemple non limitatif, le dispositif d'alignement du substrat est constitué de deux tables à déplacements linéaires micrométriques croisées (28], [29] et d'une table micrométrique à déplacement angulaire autour d'un axe vertical [30]. La figure 13 représente le dispositif lors de la phase d'alignement, la figure 14 représente le dispositif lors de la phase de dépose du composant. Le dispositif d'escamotage [25] de la lame semi réfléchissante [24) est retiré et le composant [I]est déposé sur le substrat [2]. Selon les conditions particulières de réalisation représentées figure 13 et figure 14, le dispositif mécanique [(1 1] de maintien de composant [I] peut être constitué par une partie du dispositif de visée [22]. Applications industrielles En premier lieu, l'invention est applicable lors de l'alignement et du positionnement relatif de dispositifs micro mécaniques par la méthode de retournement de composant [alignement de deux faces en regard]. A titre d'exemples non limitatifs ces composants peuvent micro optiques, micro électroniques [ puces électroniques], opto électroniques [ diodes laser, photodiodes], micro mécaniques, micro biologiques [bio puces] En second lieu, l'invention est applicable lors de l'alignement et du positionnement relatif d'un composant micro optique, micro électronique [ puce électronique), opto électronique [diode laser, photodiode), micro mécanique, par rapport à une ou un ensemble de micro buses de distribution de produits non solides. A titre d'exemples non limitatifs ces produits peuvent être des produits ou des réactifs chimiques, des colles, des huiles ou des graisses, des enduits de protection oud'encapsulation et plus généralement n'importe quel corps liquide ou des fluides tels que des pâtes ou des poudres. En troisième lieu, I'invention est applicable lors de l'alignement et du positionnement relatif d'un micro composant biologique ( bio puce] avec une ou un ensemble de micro buses de distribution de produits non solides. A titre d'exemples non limitatifs ces produits peuvent être des cultures de cellules, des produits ou des réactifs chimiques, des médicaments, des fragments d'ADN, des produits biologiques, et plus généralement n'importe quel corps liquide ou des fluides tels que des pâtes ou des o10 poudres. Une liste d'exemples d'applications, non limitative, est fournie ciaprès: * Assemblage de composants micro électroniques. * Assemblage de diodes laser sur micro bancs silicium. * Assemblage de fibres optiques sur micro bancs silicium. M Assemblage de micro composants mécaniques. * Assemblage de modules micro opto électro mécaniques. * Assemblage de modules micro électro mécaniques * Assemblage et réalisation de modules micro biologiques. * Micro distribution précise de matériaux non solides, par exemple gouttelettes de colle ou de produits chimiques sur un substrat [2). * Micro distribution précise de matériaux non solides, par exemple gouttelettes de cultures biologiques ou fragments d'ADN dans les micro alvéoles (7) d'un micro composants bio-technologique. REVENDICATIONS 1] Dispositif d'alignement pour l'assemblage de micro systèmes et pour la micro distribution sur micro systèmes ou sur micro composantsbiotechnologiques, caractérisé en ce qu'il comporte un système de visée à obturation centrale (22], une lame plane parallèle [24] transparente pourvue sur l'une de ces faces d'un traitement semi réfléchissant, un dispositif mécanique (11] de maintien d'un composant [1], la lame [24] dont la normale est confondue avec l'axe optique du système de visée (22], formant sur la face supérieure d'un substrat [2] I'image virtuelle de la face inférieure du composant [1)]. 2) Dispositif selon selon la revendication I caractérisé en ce que le dispositif mécanique de maintien de composant [11] est remplacé par un dispositif de micro distribution de gouttelettes de matières non solides [9). 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'une amélioration de la fonction de transfert de modulation du système optique pour les hautes fréquences spatiales est obtenue par la présence de l'obturation centrale (22]. 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'obturation centrale du dispositif de visée [22] est constituée par tout ou partie du dispositif mécanique [11] de maintien du composant. 5) Dispositif selon la revendication I ou la revendication 2 en ce que l'obturation centrale du dispositif de visée (22) est constituée par une partie du dispositif de visée [22], notamment dans le cas de l'utilisation d'objectifs catadioptriques. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'obturation du dispositif de visée (22] s'étend au delà du centre de ce dernier, selon une ou plusieurs zones. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la lame semi réfléchissante [24] comporte un traitement dichroique sur sa face réfléchissante, transmettant une partie du spectre lumineux utilisé par le système de visualisation pour la formation de l'image A' du substrat [2), réfléchissant une autre partie du spectre lumineux utilisé par le système de visualisation pour la formation de l'image B" du composant [1]. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la lame semi réfléchissante [24] comporte une ouverture, permettant au dispositif mécanique [11] de maintien du composant (1) de passer au travers de la 1o lame semi réfléchissante [24] sans qu'il soit nécessaire de retirer la lamesemi réfléchissante (24] 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la lame semi réfléchissante [24] comporte une ouverture, permettant au dispositif de micro distribution (9] ou aux gouttelettes de produit dont on fait la distribution de passer au travers de la lame semi réfléchissante (24] sans qu'il soit nécessaire de retirer la lame semi réfléchissante (241 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif mécanique (1] de maintien de composant [(1) est constitué par une partie du dispositif de visée [22].