Brevet FR2820898A1 — publié le 20020816

PROCEDE DE REALISATION D'UN MICRO-ACTIONNEUR ET MICRO-ACTIONNEUR OBTENU PAR CE PROCEDE. La présente invention a pour objet, un procédé de réalisation d'un micro-actionneur, et un microactionneur obtenu par ce procédé. Elle trouve une application dans le domaine de l'enregistrement magnétique, notamment des mémoires à disques. Une mémoire à disque dur, montrée schématiquement sur la figure 1 comprend essentiellement un ou plusieurs disques (100) revêtus d'une couche d'enregistrement support d'informations. La ou les têtes magnétiques d'écriture et de lecture (103) sont maintenues en position par une suspension (102). Cette suspension est montée sur un actionneur électromagnétique (101), qui par rotation positionne la tête (103) sur la piste magnétique (104) qui sera lue, ou enregistrée. La piste (104) comporte des zones portant des informations particulières destinées à fournir à la tête des signaux qui après traitement seront envoyés à l'actionneur (101) afin de centrer en permanence la tête sur la piste (104). D'une façon générale, les largeurs de pistes sont de plus en plus petites. Il devient alors indispensable d'adjoindre à l'actionneur selon l'art actuel, un autre actionneur, permettant un très faible déplacement de la tête, mais avec une grande précision, et une grande rapidité. C'est la raison pour laquelle l'industrie envisage un second étage d'actionneur, que l'on appelle micro-actionneur, comme montré sur le figure 2. Plusieurs solutions ont été proposées pour réaliser ces micro-actionneurs. Celles qui paraissent les plus prometteuses, consistent à placer le microactionneur (200) entre la tête (103) et la suspension (102), comme le montre la figure 2. Le microactionneur (200) est réalisé par les technologies souvent appelées"MEM"qui en terme anglo-saxon sont les initiales de Micro Electronic Machining, c'est à dire des technologies semblables à celles des circuits intégrés. On trouvera une description de ces micro-actionneurs, et de ces technologies, dans la publication de L-S. Fan, "Magnetic recording head positioning at very high track densities using a micro-actuator based on two-stage servo system", IEEE Trans on Industrial Electronics, Vol 42,3, pp. 222- 233, June 1995, ainsi que sur la publication"Microactuator for tera-storage"de Toshiki Hirano publié en 1999 dans les IEEE. Ces micro-actionneurs génèrent une énergie de mouvement extrêmement faible, car le moteur capacitif qui les anime, a une capacité de l'ordre de 2 à 3 picofarads, ce qui impose des structures déformables de très faible rigidité. L'ensemble fait que le produit est extrêmement fragile. De plus, ces dispositifs, présentent des cavités ouvertes, des tranchées entre la partie fixe, et la partie mobile, qui peuvent se combler par des particules, ou des condensations de vapeur d'eau. Afin d'éviter ces difficultés, il a été proposé dans la demande de brevet No 00 00403 du 13/01/2000, un nouveau micro-actionneur ainsi que son procédé de fabrication, animé par des poutres verticales, qui génèrent une énergie de mouvement plusieurs décades supérieures à celle des micro-actionneurs selon l'art antérieur, et qui sont totalement étanche. La Figure 3 montre la coupe de ce nouveau micro-actionneur (200). Sur un plan inférieur (301), on réalise des poutres verticales (302). Sur un plan supérieur (303), on réalise des poutres verticales (304), qui forment avec les poutres verticales (302) les électrodes d'un moteur capacitif, qui en s'attirant déplacent le plan supérieur (303) par rapport au plan inférieur (301). Les plans (301) et (303) sont maintenus par une membrane périphérique (305) déformable. Bien que donnant satisfaction à certains égards, les procédés de fabrication des micro-actionneurs décrits dans la demande de brevet N'OO 00403, sont relativement complexes. Ils nécessitent la croissance électrolytique des parois verticales, c'est à dire de couche très épaisses, et surtout nécessite la dissolution de couches dites"sacrificielles"c'est à dire de couches qui servent à la fabrication de certaines partie du micro-actionneur, mais qui n'ont aucune utilité dans son fonctionnement. Ces couches sont utilisées pour libérer les parties mobiles du micro-actionneur. Ce sont elles qui sont difficiles à éliminer, car elles entourent les parois verticales, et de ce fait, ont des formes très complexes, ce qui nécessite que les moyens pour les éliminer puisse agir entre les parois verticales, et sous les parois verticales. L'élimination de ces couches est très difficile, et non reproductible. A cette fin, l'invention propose un nouveau procédé de fabrication, qui n'utilise pas de croissance électrolytique pour faire les parois verticales, et qui n'utilise pas de couches sacrificielles entre les parois verticales. Ce nouveau procédé est notablement plus simple, plus reproductible, et moins cher, que les procédés décrits dans la demande de brevet No 00 00403. De façon plus précise, l'invention a pour objet un procédé de réalisation d'un micro-actionneur, dans lequel, sur une première tranche de silicium dopée phosphore par exemple, pour rendre le silicium conducteur, --- on réalise une structure dite SOI, selon la terminologie anglo-saxonne"Silicon On Insulator", c'est à dire que l'on obtient une couche de silicium d'une dizaine de microns d'épaisseur, isolée par une couche mince de silice (Si02) le tout sur la tranche de silicium dopée. ---On assemble cette structure, sur une tranche de silicium standard, qui sert de support à l'ensemble, à l'aide d'une première couche intermédiaire, la couche de silicium d'une dizaine de microns d'épaisseurs, étant la surface que l'on assemble sur la seconde tranche de silicium par le moyen de la première couche intermédiaire. ---On réduit l'épaisseur de la tranche de silicium dopée. ---on dépose une couche qui servira, après lithographie et gravure, de masque à la gravure profonde de la couche de silicium dopée, sous forme d'électrodes verticales, cette gravure, ne gravant pas toute l'épaisseur de la couche dopée. --- On réalise une seconde lithographie, qui permet de graver le reste de l'épaisseur de la couche dopée, afin de réaliser des interconnections entre les électrodes verticales, et les plots de contact. ---On réalise une troisième lithographie, suivie d'une gravure de la couche de silicium d'une dizaine de microns d'épaisseur, jusqu'à la couche intermédiaire, cette gravure permettant de définir le contour des micro-actionneurs. ---On dépose une résine épaisse, dont l'épaisseur dépasse la hauteur des électrodes verticales dans laquelle on réalise une tranchée. ---On comble cette tranchée par une pâte d'élastomère. --- On élimine la résine épaisse, ce qui laisse une membrane verticale périphérique en élastomère. --- On reproduit le même procédé sur une autre structure de substrat identique, par le moyen d'une seconde couche intermédiaire qui se dissout différemment de la première, à l'exception de la dernière résine épaisse de réalisation de tranchée, aux fins de recevoir la pâte d'élastomère, et à l'exception du comblement de cette tranchée. ---On enduit de colle le haut de la membrane verticale d'élastomère. ---on assemble les deux structures de substrat, en imbriquant les parois verticales entre elles, leur alignement étant assuré par une mesure optique et capacitive. --- On libère les micro-actionneurs de leur premier substrat support, en dissolvant la première couche intermédiaire sélectivement par rapport à la seconde. ---On colle sur les micro-actionneurs une feuille de plastique, tendue sur un cadre, afin de les maintenir pendant la dissolution de la seconde couche intermédiaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention, ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif, mais non limitatif, en référence à des dessins annexés, sur lesquels : - Les figures 1 et 2 déjà décrites, montrent l'état de l'art. - La figure 3 montre une vue éclatée du micro- actionneur dont l'invention décrit le procédé de fabrication. - La figure 4 montre la coupe d'une première partie d'un substrat - La figure 5 montre l'assemblage du substrat SOI sur son substrat support. - La figure 6 montre la coupe des électrodes verticales après gravure -La figure7 montre en vue de dessus, les électrodes verticales, et leurs interconnections. - La figure 8 montre le contour extérieur du micro-actuionneur - La figure 9 montre en vue de dessus les électrodes verticales, les interconnections, et la membrane périphérique en élastomère. - La figure 10 montre l'enduction de la colle sur le haut de la membrane périphérique. - La figure 11 montre la vue de dessus du micro- actionneur réalisé selon les procédés de l'invention. La figure 3 montre la vue éclatée du microactuateur, dont l'invention décrit un nouveau procédé de fabrication. Il est composé de deux plans horizontaux (301) et (303) chacun d'eux supportant des électrodes verticales (302) et (304) respectivement, les deux plans horizontaux, étant maintenus par une paroi verticale périphérique en élastomère (305). La figure 4 montre la coupe d'une première partie d'un substrat (400) qui est une tranche de silicium mono cristallin, fortement dopé avec du phosphore par exemple, afin de rendre le silicium conducteur. Sur cette tranche de silicium, on a réalisé une couche mince de silice (401) de 0,3 um d'épaisseur par exemple, surmontée d'une autre couche de silicium (301) d'une dizaine de microns d'épaisseur environ, qui constituera par la suite le plan inférieur (301) du micro-actionneur. Cette structure peut avantageusement être réalisée selon les procédés dits SOI, connus de l'homme de l'art, mais peut également être réalisée par dépôt sur la couche de silice de silicium poly cristallin, amorphe, ou épitaxié, ces procédés étant connus de l'homme de l'art. On peut noter qu'il n'est pas utile que la couche (301) soit dopée. La figure 5 montre l'assemblage d'un substrat. Sur une autre tranche de silicium (500), on dépose une première couche intermédiaire (501), qui est une couche sacrificielle que l'on dissoudra sélectivement par la suite cette couche intermédiaire, servant d'assemblage entre le substrat (500), et la couche (301). On réalise ensuite un amincissement de la tranche (400), par procédé mécanique, ou chimique, connue de l'homme de l'art, et finalement, on obtient un substrat, qui a une couche de silicium mono cristallin conducteur (502), d'épaisseur comprise entre quelques dizaines de microns et 200 microns, isolée par la couche de silice (401) de la couche (301), l'ensemble étant assemblé par la couche intermédiaire (501) sur la tranche support (500). Sur la couche (502), on dépose une couche de Si02, de tungstène, ou de tout matériau qui se grave sélectivement par rapport au silicium, et qui servira de masque. On réalise une lithographie, et on grave cette couche de masquage, selon la forme et dimension des premières électrodes verticales (302). La figure 6, montre la coupe du premier substrat après gravure de la couche (502) formant les électrodes verticales (302). On ne grave pas la couche (502) jusqu'à la couche de silice (401) mais on arrête la gravure à une épaisseur de l'ordre de quelques microns au dessus de la couche de silice (600). On réalise une seconde lithographie, qui a pour but de définir les interconnections des électrodes verticales, et les plots de contacts, ces interconnections, étant réalisées par la couche (600) de quelques microns au-dessus de la couche de silice (401), comme le montre la figure 7 vue de dessus. On retrouve les électrodes verticales (302) interconnectées par les couches (700), et les plots de contact (701). On dépose une couche de résine, suivie d'une lithographie, et d'une gravure des couches de silice (401), et de la couche de silicium (301), jusqu'à la couche intermédiaire (501). Cette gravure permet de définir le contour (800) des microactionneurs sur le premier substrat, comme le montre la figure 8. On dépose une couche épaisse de résine, dont l'épaisseur dépasse d'une dizaine de microns, la hauteur des électrodes verticales (302). On réalise une lithographie sur cette résine, afin après révélation, de réaliser une tranchée périphérique. On remplit cette tranchée d'une pâte d'élastomère, qui après polymérisation, et enlèvement de la résine, formera une paroi verticale périphérique (305) comme montré sur la figure 9. La forme de cette paroi est précisément contrôlée par la lithographie, ce qui permet de lui donner la forme que l'on désire. On met à profit ce procédé afin de réduire la rigidité de cette paroi verticale, en lui donnant des formes par exemple en zig-zag (900), sur les cotés parallèles au mouvement, c'est à dire sur les cotés dont le moment d'inertie est le plus grand par rapport au mouvement. En se référant à la figure 3, les étapes de fabrications décrites, ont permis de réaliser le plan (301), les électrode verticales (302), ainsi que leurs interconnections, et la membrane périphérique (305). Sur un autre ensemble de substrat identique à celui décrit précédemment, on réalise les mêmes étapes de fabrication, à l'exception des étapes qui concernent la réalisation de la paroi périphérique en élastomère. Ces étapes de fabrication, ont permis de réaliser le plan horizontal supérieur (303), et les électrodes verticales supérieures (304) de la figure 3. On enduit le haut de la membrane périphérique en élastomère (305) d'une colle d'assemblage, en utilisant le dispositif décrit en coupe de la figure 10. Ce dispositif, consiste en une tranche de silicium (1000) sur laquelle on a réalisé une membrane (1001) ayant la forme de la membrane périphérique (305), en utilisant les mêmes procédés que ceux utilisés pour réaliser la membrane périphérique (305). On enduit la base de cette membrane (1001) de colle, par simple contact de la base de cette membrane sur une surface plane enduite de colle, et on transfert un cordon de colle sur le haut de la membrane (305) par simple contact. On assemble enfin les deux ensembles de substrats comportant chacun leur électrodes verticales, et dont l'un d'eux comporte la membrane périphérique en élastomère. Les électrodes verticales, étant disposées en quinconces les unes des autres. En se référant à la figure 3, on a assemblé le plan (303) avec ses électrodes, sur le plan (301) avec ses électrodes, en collant le haut de la membrane périphérique (305), sur le plan (303). Afin de bien centrer les premières électrodes (302) par rapport aux secondes (304), on aligne les deux ensembles de substrat avant collage, par des moyens optiques connus de l'homme de l'art, et de plus, on mesure durant l'approche des deux ensembles de substrat, la capacité entre les électrodes du haut, et les électrodes du bas, et en comparant cette capacité à celle de leur voisines, afin que ces capacités soient égales, ce qui positionne les électrodes à égale distance les unes des autres. Pour ce faire, on peut utiliser une structure d'électrodes dédicacée à cette mesure. Une fois la colle d'assemblage polymérisée, on dissout la première couche intermédiaire (501) sélectivement par rapport à la seconde couche intermédiaire. De ce fait le support (500) est détaché de l'ensemble des microactionneurs, qui sont maintenus par la seconde couche intermédiaire, sur son support. On colle une membrane plastique tendue sur un cadre sur tous les microactionneurs, puis on dissout la seconde couche intermédiaire, qui libère le second support, les micro-actionneurs étant alors maintenus sur la membrane de plastique. La figure 11, montre un microactionneur réalisé selon les procédés de l'invention. La forme extérieure du plan horizontal (301) supportant les plots de contact (1101), est complémentaire à celle de la forme du plan horizontal (303), supportant les plots de contact (1101), afin de faciliter l'accessibilité pour la soudure des plots de contacts. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'un micro-actionneur, dans lequel : - on réalise un premier substrat comprenant un support (500) sur lequel est assemblé, par une couche intermédiaire (501) un ensemble de couches, comprenant une couche de silicium mono cristallin (301), une couche isolante (401), et une couche de silicium mono cristallin (502) dopé pour la rendre conductrice. - on dépose sur la couche (502) un masque, puis on grave les électrodes verticales (302), d'une profondeur inférieure à l'épaisseur de la couche (502) - on réalise un masque de résine et on grave les interconnections - on réalise un masque, et on grave la couche (301) pour définir la forme extérieure du micro-actionneur - on réalise une tranchée périphérique dans une résine d'épaisseur supérieure à celle de la couche (502), que l'on comble avec une pâte d'élastomère, que l'on polymérise. - on élimine le masque de résine pour dégager la membrane périphérique (305) - Sur un second substrat, on réalise les mêmes étapes, à l'exception de la réalisation de la tranchée périphérique. - on enduit le haut de la membrane périphérique (305) de colle - on assemble les deux substrats par collage de la membrane périphérique sur le plan (303) les électrodes verticales étant positionnées en quinconce - on libère le premier support par dissolution sélective de la couche intermédiaire (501) - on colle une membrane plastique tendue sur un cadre, sur les micro-actionneurs - on dissout la seconde couche intermédiaire. 2. Procédé de réalisation d'un micro-actionneur selon la revendication l, caractérisé en ce que la couche (301) est obtenue par dépôt de silicium poly cristallin, de silicium amorphe, par épitaxie, ou par procédé SOI. 3. Procédé de réalisation d'un micro-actionneur, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les interconnections (700), les plots de contact (701) et les parois verticales (302) sont réalisés dans la couche de silicium monocristallin dopé (502). 4. Procédé de réalisation d'un micro-actionneur, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pourtour des micro-actionneurs est obtenu par gravure des couches (401) et (301) 5. Procédé de réalisation d'un micro-actionneur, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le haut de la membrane (305) soit enduit de colle. 6. Procédé de réalisation d'un micro-actionneur, selon la revendication 4, caractérisé en ce que la colle est transférée par l'intermédiaire d'une membrane (1001) réalisée sur un support (1000) selon les mêmes procédés que ceux utilisés pour faire la membrane (305). 7. Procédé de réalisation d'un micro-actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux plans (301) et (303) sont assemblés par collage au moyen de la membrane périphérique, les électrodes verticales (302) et (304) étant positionnées en quinconce. 8. Procédé de réalisation d'un micro-actionneur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux substrats sont positionnés par des moyens optiques, et des moyens de mesure de capacité entre les électrodes verticales des deux substrats, et que ces capacités sont rendues égales par ajustement des positions relatives des plans (301) et (303). 9. Micro-actionneur obtenu par le procédé de la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane périphérique (305) a la forme de zig-zag selon ses cotés perpendiculaires au plan des électrodes verticales. 10. Micro-actionneur obtenu par le procédé de la revendication 1, caractérisé en ce que les formes extérieures obtenus par gravure des plans horizontaux (301) et (303), autour des plots de contacts (1101), et (1103) aient une forme complémentaire.