Brevet FR2827270A1 — publié le 20030117

PROCÉDÉ DE FABRICATION DE PIÈCES MICROSCOPIQUES La présente invention concerne la fabrication de pièces microscopiques. L'utilisation de pièces microscopiques est actuellement de plus en plus répandue. Un domaine d'application privilégié concerne les systèmes associant à la fois des circuits intégrés et des pièces optiques microscopiques. Il peut s'agir par exemple de systèmes de communication par ondes lumineuses, de systèmes d'interconnexion optique, de commandes de faisceaux lumineux, de systèmes d'affichage, etc.. Il existe de nombreux procédés de fabrication de pièces microscopiques. On peut citer, à titre d'exemple, des procédés de gravures directes par balayage d'un faisceau laser ou d'électrons, ou de gravures ioniques réactives (RIE) réalisées dans des conditions anisotropes et utilisant des dépôts successifs de masques sur la pièce à graver. Le document intitulé A New Method for Three Dimensional Excimer Laser Micromachining, Hole Area Modulation (HAM) Il T. Masuzawa, J. Olde-Benneker, J. J. C. Eindhoven, CIRP General Assembly, volume 49 ? 1 139-142 (2000), décrit un procédé de fabrication de pièces microscopiques utilisant un laser venant graver un substrat au travers d'un masque éloigné du substrat, des moyens de focalisation du faisceau laser étant disposés entre le substrat et le masque. Le masque comprend un ensemble d'ouvertures de section carrée et d'aire variable. Pour une même durée d'exposition au faisceau laser, la profondeur de matière de substrat éliminé associée à une ouverture du masque est fonction de l'aire de celle-ci. La gravure laser étant essentiellement anisotrope, le substrat n'est gravé que dans les zones exposées directement au faisceau laser. Pour que toute la surface du substrat soit gravée, ce substrat est monté sur une table mobile, et est très légèrement déplacé, lors de la gravure, autour d'une position de repos dans un plan perpendiculaire au faisceau laser, tandis que la source du faisceau et le masque restent fixes. L'utilisation d'ouvertures d'aires différentes réparties sur le masque permet de réaliser des pièces microscopiques présentant une surface extérieure continûment courbe comportant des dénivellations en marche d'escalier. Néanmoins, le procédé décrit dans ce document demeure complexe et délicat à mettre en oeuvre à une échelle industrielle, étant donné que le substrat doit être disposé sur un support mobile par rapport à la source laser et doit être déplacé de façon très précise en statique et en dynamique. La présente invention vise un procédé particulièrement simple de fabrication de pièces microscopiques. La présente invention vise également un procédé de fabrication de pièces microscopiques compatible avec les technologies actuelles de fabrication de circuits intégrés. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un procédé de fabrication d'une pièce microscopique dans un substrat comprenant les étapes consistant à effectuer une première gravure, présentant un effet de chargement et isotrope, du substrat au travers d'un masque comportant un ensemble d'ouvertures sensiblement ponctuelles disposées selon un réseau matriciel, l'aire de chaque ouverture étant déterminée par la profondeur à graver sous cette ouverture ; et effectuer une deuxième gravure isotrope du substrat en l'absence du masque. Selon un mode de réalisation de l'invention, les ouvertures du masque sont sensiblement circulaires. Selon un mode de réalisation de l'invention, le masque est déposé sur le substrat, puis est retiré, après la première gravure isotrope du substrat. Selon un mode de réalisation de l'invention, la première gravure et/ou la seconde gravure sont des gravures ioniques réactives réalisées dans des conditions isotropes. Selon un mode de réalisation de l'invention, la première gravure et/ou la seconde gravure sont des gravures chimiques réalisées dans des conditions isotropes. Selon un mode de réalisation de l'invention, le substrat est une plaquette de semiconducteur. Selon un mode de réalisation de l'invention, le masque est en aluminium. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente une vue en coupe d'un substrat, recouvert d'un masque, dans lequel on veut fabriquer une pièce microscopique ; la figure 2 représente une vue de dessus du masque de la figure 1 ; la figure 3 représente la vue de la figure 1 après une première gravure isotrope ; la figure 4 représente la vue de la figure 1 après retrait du masque ; la figure 5 représente la vue de la figure 1 après une seconde gravure isotrope ; et la figure 6 représente une vue schématique en perspective de la pièce obtenue. On va décrire de façon détaillée un mode de réalisation de la présente invention en relation avec les figures 1 à 6. On notera que dans ces diverses figures, les épaisseurs et dimensions latérales des divers composants ne sont pas tracées à l'échelle ni à l'intérieur d'une même figure ni d'une figure à l'autre pour améliorer la lisibilité de ces figures. Par ailleurs, de mêmes références désigneront de mêmes éléments, à des stades successifs de fabrication. La figure 1 représente un substrat 10 recouvert d'un masque 11. Le substrat 10 consiste en une plaquette de silicium et le masque 11 en une couche mince d'aluminium, ou d'alliage d'aluminium, ayant une épaisseur par exemple d'environ 200 nm, déposée sur le substrat 10 selon n'importe quelle technique connue de l'homme du métier. Quatre ouvertures 12,13, 14 et 15, sensiblement cylindriques, formées dans le masque 11, sont représentées sur la figure 1. Elles possèdent chacune, dans le plan du masque 11, une section circulaire. Dans l'exemple de la figure 1, le diamètre des ouvertures 12 à 15 augmente de la gauche vers la droite de la figure. Les axes des ouvertures 12 à 15, représentés en pointillés, sont parallèles et également espacés. Les ouvertures 12 à 15 sont définies dans le masque 11 à l'aide de techniques classiques de lithographie et de gravure, bien connues de l'homme du métier. La figure 2 représente une vue de dessus d'un exemple de masque 11. Les ouvertures du masque 11 sont représentées par des disques noirs et sont réparties selon un réseau matriciel régulier comportant, dans le présent exemple, 9 lignes et 19 colonnes également espacées. Il faut bien noter que la répartition, le nombre et les dimensions des ouvertures du masque 11 sont donnés à simple titre d'exemple de façon à clairement expliquer le procédé selon l'invention. Le masque 11, tel que représenté sur la figure 2, est destiné à fabriquer une pièce ayant la forme d'un demi-ellipsoïde convexe. Dans ce but, les aires des ouvertures augmentent graduellement depuis le centre du réseau jusqu'aux bords extérieurs. La figure 3 représente une vue en coupe du substrat 10 après la réalisation d'une première gravure. La gravure utilisée est une gravure ionique réactive (RIE) réalisée dans des conditions isotropes, par exemple il peut s'agir d'une gravure du type SF6 à forte pression et à faible puissance. La présente invention utilise le principe communément appelé"effet de chargement" (loading effect), caractéristique de ce type de gravure, selon lequel la profondeur de substrat 10 gravé est directement fonction de l'aire de l'ouverture du masque 11 placée en vis-à-vis. Ainsi, en fixant précisément les aires des différentes ouvertures du masque 11, il est possible de contrôler la profondeur de substrat 10 gravé en vis-à-vis de chaque ouverture. En outre, la gravure étant réalisée de manière isotrope, elle s'étend latéralement sensiblement à la même vitesse qu'orthogonalement à la surface du substrat 10. Ainsi, les portions du substrat 10 situées entre les ouvertures du masque 11, sont également gravées d'une profondeur qui dépend de la dimension des ouvertures du masque 11 adjacentes. Dans le présent exemple, la profondeur de substrat 10 gravé augmente depuis le centre jusqu'aux bords extérieurs du masque 11. Comme cela est représenté sur la figure 3, la surface extérieure 16 du substrat 10 peut, après la gravure décrite ci-dessus, être assez irrégulière et présenter une rugosité élevée. La figure 4 représente une vue en coupe du substrat 10 une fois le masque 11 retiré. Le retrait du masque 11 peut être obtenu par gravure chimique. La figure 5 représente le substrat 10 après la réalisation d'une seconde gravure isotrope, par exemple une gravure ionique réactive. La seconde gravure permet de polir la surface extérieure 16 du substrat 10 afin d'en diminuer la rugosité. La rugosité finalement obtenue est fonction de la durée de la seconde gravure isotrope de polissage. A titre d'exemple, on peut réaliser une gravure d'environ 20 à 50 minutes, pour obtenir des rugosités inférieures à 30 nanomètres environ. La figure 6 représente la forme générale de la pièce obtenue à partir du masque 11 de la figure 2. Il s'agit d'un demi-ellipsoïde, en saillie par rapport à la plaquette de semi- conducteur à partir de laquelle il a été formé. Le demiellipsoïde peut être utilisé comme lentille dans des systèmes de micro-optique. Selon le procédé de l'invention, on peut obtenir un demi-ellipsoïde ayant un grand diamètre de quelques centaines de micromètres. Le présent procédé présente de nombreux avantages. En effet, il utilise des technologies de gravure qui sont largement répandues dans l'industrie de fabrication des circuits intégrés. On peut donc facilement envisager de fabriquer à une échelle industrielle de pièces microscopiques selon le présent procédé. De plus, le procédé étant entièrement compatible avec la technologie des circuits intégrés, il est possible, par exemple, d'intégrer sur un même composant des éléments électroniques et des éléments optiques. Enfin, le procédé selon l'invention est particulièrement simple à mettre en oeuvre puisqu'il ne comporte qu'un faible nombre d'étapes (en particulier un unique masquage du substrat). Le fait que la première gravure du substrat soit isotrope, ce qui est inhabituel lorsque l'on désire graver un substrat pour l'obtention de formes complexes, permet de graver toute la surface extérieure du substrat dès la première étape de gravure. Grâce à une répartition adaptée des aires des ouvertures du masque, on obtient, dès la première gravure, une surface extérieure de substrat relativement proche de la surface désirée. La seconde gravure a un simple rôle de polissage pour obtenir une surface présentant une rugosité acceptable. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, la présente invention mentionne l'utilisation d'un substrat de type silicium. Il est, bien sûr, tout à fait possible d'utiliser le présent procédé avec un autre type de substrat, par exemple du verre, ou du plastique. De même, le matériau composant le masque peut être différent de l'aluminium ou d'un alliage d'aluminium. Il peut s'agir de n'importe quel type de matériau compatible avec le substrat et les gravures utilisés (par exemple de l'oxyde ou du chrome). Le matériau doit être tel que le masque présente une certaine rigidité pour ne pas s'affaisser sur la surface extérieure du substrat lorsque l'on réalise la première gravure isotrope du substrat. En outre, les ouvertures réalisées dans le substrat ne présentent pas nécessairement une section circulaire. Tout type de section peut convenir, par exemple carrée, et l'on pourra choisir le type de section des ouvertures selon les techniques de fabrication du masque retenues. De même, il est possible d'utiliser tout type de gravure, compatible avec le substrat et le masque, dans la mesure où cette gravure présente un effet de chargement et est isotrope. Ainsi, certaines gravures chimiques peuvent convenir. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une pièce microscopique dans un substrat (10), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - effectuer une première gravure, présentant un effet de chargement et isotrope, du substrat (10) au travers d'un masque (11) comportant un ensemble d'ouvertures (12,13, 14,15) sensiblement ponctuelles disposées selon un réseau matriciel, l'aire de chaque ouverture (12,13, 14,15) étant déterminée par la profondeur à graver sous cette ouverture (12,13, 14,15) ; et - effectuer une deuxième gravure isotrope du substrat (10) en l'absence du masque (11). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ouvertures (12,13, 14,15) du masque (11) sont sensiblement circulaires. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le masque (11) est déposé sur le substrat (10), puis est retiré, après la première gravure isotrope du substrat (10). 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première gravure et/ou la seconde gravure sont des gravures ioniques réactives réalisées dans des conditions isotropes. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première gravure et/ou la seconde gravure sont des gravures chimiques réalisées dans des conditions isotropes. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat (10) est une plaquette de semiconducteur. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le masque (11) est en aluminium. 8. Utilisation du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 à la fabrication de lentilles microscopiques.