Brevet FR2849222A1 — publié le 20040625

Microstructure comportant une couche d'adhérence et procédé de fabrication d'une telle microstructure. Domaine technique de l'invention L'invention concerne une microstructure comportant une couche d'adhérence entre un substrat et une couche photostructurable, la couche d'adhérence étant photosensible et disposée sur au moins une face du substrat. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une telle microstructure. tat de la technique Les microstructures comportant des couches épaisses sont généralement utilisées soit directement, par exemple comme composants en micromécanique, soit indirectement comme structures positives sacrificielles pour la fabrication de 20 micro-moules métalliques Il est connu de réaliser de telles microstructures à partir d'au moins une couche photosensible en résine négative de type époxy telle que celle commercialisée par Shell Chemical sous la référence SU-8 Ce type de couche photosensible peut être mis en ceuvre par un procédé de fabrication connu sous le nom de LIGA-UV et dérivant du procédé LIGA 25 ( Le procédé LIGA-UV consiste à déposer sur un substrat une couche de résine photosensible La couche de résine photosensible est séchée, puis irradiée par rayonnement ultraviolet (UV) à travers un masque Elle subit, ensuite, un recuit et elle est développée, c'est-à-dire que, pour une résine négative, les portions de résine non polymérisées par irradiation UV et recuit sont éliminées par des moyens physiques ou chimiques Ceci permet de réaliser des microstructures de facteur de forme élevé Par facteur de forme, on entend un rapport critique 5 de la hauteur sur la largeur d'un motif, un motif correspondant à l'espace libéré par une portion de résine non polymérisée, dans le cas de l'utilisation d'une résine photosensible négative. A titre d'exemple, le document EP-A 1-0851295 décrit un procédé de fabrication 10 de microstructures par conformation multicouche d'une résine négative photosensible de type époxy Les microstructures sont réalisées en créant sur une plaquette-support un revêtement sacrificiel métallique et en structurant au moins deux couches de résine photosensible négative Les couches structurées sont ensuite détachées de la plaquette-support en effectuant une attaque 15 alcaline de la couche sacrificielle. La forte épaisseur des couches en résine photosensible ainsi que la géométrie du masque, les dimensions de la microstructure obtenue et la nature du substrat sont des paramètres pouvant induire de fortes contraintes dans le substrat Les 20 contraintes peuvent être à l'origine d'une diminution de l'adhérence entre la couche photosensible et le substrat et ceci peut entraîner un décollement de motif, soit directement à l'issue de l'étape de développement, soit dans la suite du cycle de fabrication. Pour éviter de tels décollements, certains ont tenté de modifier les paramètres du procédé, notamment en abaissant la température de recuit et / ou la dose d'irradiation Ceci n'est pas satisfaisant car ces modifications peuvent augmenter la durée du procédé et ne permettent pas de diminuer les contraintes liées à la géométrie du masque ou à la nature du substrat. Une autre technique consiste à utiliser une couche intermédiaire d'adhérence entre la couche photosensible et le substrat Ainsi le document WO-A 1-0137050 décrit une couche d'adhérence constituée par un polymère de la famille des 5 polyimides ou d'un mélange de polyimides Cependant, ce polymère n'est pas satisfaisant car il a une température de polymérisation élevée, généralement comprise entre 250 C et 400 C Ceci peut être limitant dans la mise en oeuvre du procédé de fabrication des microstructures, notamment avec des substrats en matière plastique. Objet de l'invention L'invention a pour but une microstructure remédiant à ces inconvénients. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que la couche d'adhérence est constituée par une résine négative comportant au moins un polymère de la famille des élastomères et au moins un composant photoamorçeur, en solution dans un solvant aromatique. Selon un développement de l'invention, le polymère est un polyisoprène cyclique en solution dans du xylène. Selon un mode de réalisation préférentiel, la couche d'adhérence a une 25 épaisseur comprise entre 200 nm et 10,um. Selon une autre caractéristique de l'invention, la couche photostructurable est constituée par au moins une résine négative de type époxy. L'invention a également pour but un procédé de fabrication d'une telle microstructure. Selon l'invention, le procédé de fabrication comporte l'étalement et le séchage 5 d'une couche d'adhérence constituée par une résine négative comportant au moins un polymère de la famille des élastomères et au moins un composant photo-amorçeur, en solution dans un solvant aromatique, avant le dépôt d'au moins une couche photostructurable en résine. Selon un développement de l'invention, la couche d'adhérence est insolée à travers un masque et développée, avant le dépôt de la couche photostructurable. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, 20 dans lesquels: Les figures 1 à 5 et 6 à 9 représentent respectivement différentes étapes d'un premier et d'un second modes de réalisation d'une microstructure selon l'invention. Les figures 10 et 1 1 représentent une variante de réalisation du second mode de réalisation d'une microstructure selon l'invention. Les figures 12 à 13 et 14 à 17 représentent respectivement différentes étapes d'un troisième et d'un quatrième modes de réalisation d'une microstructure selon l'invention. Description de modes particuliers de réalisation. Une microstructure, de préférence destinée à être utilisée comme composant en micromécanique ou comme structure positive sacrificielle pour la fabrication de 5 micro-moules métalliques, est réalisée à partir d'au moins une couche photostructurable et un substrat par un procédé de type LIGA-UV Par couche photostructurable, on entend une couche sensible au rayonnement ultraviolet et destinée à être structurée pour former des motifs La couche photostructurable est, de préférence, constituée par au moins une résine négative de type époxy, 10 et plus particulièrement par la résine SU-8 commercialisée par la société Shell Chemical Elle a, de préférence, une épaisseur comprise entre 50 prm et 200 rom. Une couche d'adhérence destinée à améliorer l'adhérence entre le substrat et la couche photostructurable est disposée sur au moins une face du substrat et elle 15 a, de préférence, une épaisseur comprise entre 200 nm et 10 m La couche d'adhérence est photosensible, c'est-à-dire sensible au rayonnement ultraviolet et elle est constituée par une résine négative comportant au moins un polymère de la famille des élastomères et au moins un composant photo-amorçeur, en solution dans un solvant aromatique Le polymère est, de préférence, un 20 polyisoprène cyclique en solution dans du xylène, et par exemple choisi parmi la gamme des résines photosensibles commercialisées sous le nom de SC Resist par la société Olin Micorelectronic Materials. La résine de la couche d'adhérence présente l'avantage d'avoir une 25 température de polymérisation inférieure à 135 C et elle peut absorber les contraintes qui s'établissent entre le substrat et la couche photostructurable De plus, sa faible épaisseur notamment par rapport à l'épaisseur de la couche photostructurable en résine époxy, permet de supprimer l'influence de la géométrie de la microstructure et la nature du substrat. La résine appartenant à la famille des élastomères, elle peut créer des liaisons organo-chimiques entre les résines époxy et la plupart des matériaux constituant le substrat Ainsi, le substrat peut être constitué par un matériau choisi parmi le silicium, le verre et les matières plastiques, notamment le 5 polycarbonate, le polyméthyle méthacrylate (PMMA) ou le cyclo oléfine copolymère (COC), selon les applications visées Le substrat peut également être recouvert par une sous-couche conductrice disposée entre le substrat et la couche d'adhérence La souche conductrice est, de préférence, métallique et notamment en or, en nickel ou en alliage fer-nickel, de cuivre, de titane, de 10 chrome ou d'aluminium La couche d'adhérence permet également une bonne adhérence entre la résine de type époxy et une sous-couche conductrice. Selon un premier mode de réalisation représenté sur les figures 1 à 5, une microstructure est réalisée en étalant une couche d'adhérence 1 sur un substrat 15 2 (figure 1) La couche d'adhérence 1 a, de préférence, une épaisseur de 2,5 jum et elle est constituée par une résine négative comportant au moins un polymère de la famille des élastomères et au moins un composant photo-amorçeur, en solution dans un solvant aromatique La couche d'adhérence 1 est, de préférence, une résine de type SC Resist. La couche d'adhérence 1 est séchée pendant 10 minutes, à une température comprise entre 75 C et 95 C et, de préférence, à 85 C Puis, elle est soumise à une insolation par rayonnement ultraviolet (représenté par des flèches sur la figure 2), à travers un masque 3 L'insolation par rayonnement ultraviolet est, de 25 préférence, de 200 à 1000 m J cm-2 à une longueur d'onde de 365 nm Le masque 3 comporte une pluralité de premières et secondes zones 3 a et 3 b respectivement transparentes et opaques au rayonnement ultraviolet Ainsi, il permet d'insoler localement des zones l a de la couche d'adhérence 1 en résine négative, lesdites zones la étant disposées en regard des premières zones 3 a du masque 3. La couche d'adhérence 1 subit alors un recuit destiné à provoquer la 5 polymérisation des zones la insolées de la couche d'adhérence 1 A titre d'exemple, le recuit est réalisé à une température comprise entre 90 et 95 C pendant 15 à 30 minutes La couche d'adhérence 1 est ensuite développée par tout type de moyens connus, de manière à éliminer les zones non insolées et non polymérisées de la couche d'adhérence 1 et à révéler des motifs 1 b (figure 10 3) Ainsi, la couche d'adhérence 1 peut être développée dans un bain de solvant tel que du propylène glycol méthyléther acétate, plus connu sous le nom de PGMEA, de sorte que les zones non insolées de la couche d'adhérence se dissolvent dans le solvant. Une couche photostructurable 4, en résine négative de type époxy et, de préférence en résine SU-8, est étalée sur la couche d'adhérence révélée et sur le substrat 2 Elle a, de préférence, une épaisseur de 150 tm et elle subit un traitement de type LIGA-UV similaire à celui subit par la couche d'adhérence 1. Ainsi, elle est séchée et insolée par rayonnement ultraviolet à travers un 20 masque (non représenté sur les figures 4 et 5) Le masque peut être identique ou légèrement différent du masque 3 ayant servi à révéler la couche d'adhérence 1 Sur la figure 5, le masque utilisé est identique au masque 3 utilisé pour la couche d'adhérence 1, de sorte que des zones insolées 4 a de la couche photostructurable 4 concident, en largeur, avec les zones insolées la 25 de la couche d'adhérence 1 (figure 5) Ainsi, une fois la couche photostructurable 4 développée, les motifs révélés par l'insolation de la couche photostructurale 4 se superposent aux motifs la révélés par l'insolation de la couche d'adhérence 1 pour former des motifs 5 exposant le substrat 2. Selon un second mode de réalisation représenté sur les figures 6 à 9, la couche d'adhérence 1 et la couche photostructurable 4 sont successivement étalées sur le substrat 1 et séchées (figure 6) La couche photostructurable 4 est alors insolée localement par rayonnement ultraviolet (représenté par des flèches sur 5 la figure 7) à travers le masque 3 La couche photostructurable 4 subit alors un recuit destiné à polymériser les zones insolées 4 a Elle est alors développée spécifiquement de manière à révéler des motifs 4 b issus de l'élimination des zones non insolées de la couche photostructurable 4 (figure 8). La couche d'adhérence étant en résine photosensible négative, I'insolation par rayonnement ultraviolet provoque non seulement la réticulation localisée de la couche photostructurable 4 mais aussi celle de la couche d'adhérence 1 La couche d'adhérence 1 peut alors être développée spécifiquement pour révéler des motifs concidant, en largeur, avec les motifs 4 b, de manière à former des 15 motifs 5 exposant le substrat 2 (figure 9) Ce mode de réalisation est particulièrement intéressant, notamment dans le cas o la structure du substrat (ou de la sous-couche intermédiaire) n'est pas compatible avec un autre procédé de structuration. Selon une variante de réalisation représentée sur les figures 10 et 1 1, la couche d'adhérence 1 et la couche photostructurable 4 sont mises en oeuvre selon le mode de réalisation représenté sur les figures 6 à 8, de manière à révéler les motifs 4 b issus du développement de la couche photostructurable 4 (figure 10). La couche d'adhérence 1 est alors gravée localement par plasma réactif (figure 25 10), de manière à révéler des motifs se superposant aux motifs 4 b pour former des motifs 5 (figure 11) Les zones insolées 4 a de la couche photostructurable 4 et les motifs 4 b font alors office de masque pendant la gravure de la couche d'adhérence 1. La couche d'adhérence 1 entre le substrat et la couche photostructurable permet plus particulièrement d'utiliser un substrat 2 en matière plastique, par exemple en polycarbonate ou en polyméthyle méthacrylate (PMMA), avec une couche photostructurable 4 en résine de type époxy En effet, il n'est pas 5 toujours possible d'étaler directement une couche en résine de type époxy telle que la résine SU-8 sur un substrat en matière plastique Les solvants utilisés, notamment dans la résine SU-8, peuvent être les mêmes que ceux des polymères utilisés pour le substrat en matière plastique Dans ce cas, lors de l'étalement et du développement de la résine SU-8, le substrat peut subir une 10 attaque chimique des solvants contenus dans la résine SU-8 ou dans le bain de développement La couche d'adhérence 1 permet alors de protéger le substrat en matière plastique. Ainsi, sur les figures 12 et 13, la couche d'adhérence 1 est disposée sur les 15 faces inférieure 2 a et supérieure 2 b du substrat 2, de manière à le préserver des attaques de solvants contenus dans la couche photostructurable 4 structurée selon un procédé de type LIGA-UV, et de ceux contenus dans le bain de développement Selon l'application visée, la totalité de la couche d'adhérence 1 peut être, préalablement, insolée par rayonnement ultraviolet,. 20 Ceci permet plus particulièrement de réaliser des microcomposants en utilisant un substrat en matière plastique. Selon un autre mode de réalisation représenté sur les figures 14 à 17, la couche d'adhérence 1 est disposée et séchée sur les faces supérieure 2 b et inférieure 25 2 a du substrat 2 Une première couche photostructurable 4 en résine SU-8 est étalée sur la couche d'adhérence 1 disposée sur la face supérieure 2 b du substrat 2 Elle est séchée, insolée par rayonnement ultraviolet à travers un premier masque 3 (figure 14) puis recuite, de manière à délimiter deux zones polymérisées 4 a Une seconde couche photostructurable 7 en résine SU-8 est étalée sur la première couche photostructurable 4 (figure 15) La seconde couche photostructurable 7 est également séchée, insolée à travers un second masque 8 et recuite, de manière à délimiter quatre zones insolées et polymérisées 7 a. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 16, le second masque 8 est différent du premier masque 3, de manière à délimiter dans la seconde couche photostructurable 7 quatre zones insolées 7 a ayant une section moins large que les deux zones 4 a Sur la figure 16, les quatre zones 7 a sont donc disposées, 10 deux à deux, sur une même zone 4 a, de manière à prolonger les zones 4 a vers le haut sur la figure 16 et à former une structure empilée en forme de gouttière. Les première et seconde couches photostructurables 4 et 7 sont ensuite développées simultanément, de manière à éliminer les parties non insolées des première et seconde couches photostructurables 4 et 7 et à libérer la structure 15 empilée (figure 17) Ceci permet de réaliser des composants ou des micromoules de géométrie complexe et, par exemple, des micro- cellules par prototypage rapide sur un substrat en matière plastique ou en verre. La microstructure et le procédé de fabrication d'une telle microstructure selon 20 l'invention présentent l'avantage d'éviter le décollement des motifs créés par le procédé LIGA-UV Ils permettent également d'utiliser différentes natures de substrat et notamment des substrats en matière plastique. Le procédé de fabrication et la microstructure selon l'invention sont 25 particulièrement adaptés à la fabrication rapide de composants ou de systèmes microfluidiques, biotechnologiques ou microoptiques et de micropiles à combustible Il est également possible de découper le substrat en puces, notamment lorsque le substrat est en silicium, sans provoquer le décollement des motifs créés. Revendications 1 Microstructure comportant une couche d'adhérence ( 1) entre un substrat ( 2) 5 et une couche photostructurable ( 4), la couche d'adhérence ( 1) étant photosensible et disposée sur au moins une face du substrat ( 2), microstructure caractérisée en ce que la couche d'adhérence ( 1) est constituée par une résine négative comportant au moins un polymère de la famille des élastomères et au moins un composant photo-amorçeur, en solution dans un solvant aromatique. 2 Microstructure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le polymère est un polyisoprène cyclique en solution dans du xylène. 3 Microstructure selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que 15 la couche d'adhérence ( 1) a une épaisseur comprise entre 200 nm et 1 O O Lm. 4 Microstructure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la couche photostructurable ( 4) est constituée par au moins une résine négative de type époxy. Microstructure selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la couche photostructurable ( 4) a une épaisseur comprise entre 50 gm et 200 km. 6 Microstructure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le substrat ( 2) est constitué par un matériau choisi parmi le silicium, le verre et les matières plastiques. 7 Procédé de fabrication d'une microstructure selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le procédé comporte l'étalement et le séchage d'une couche d'adhérence ( 1) constituée par une résine négative comportant au moins un polymère de la famille des élastomères et au moins un 5 composant photo-amorçeur, en solution dans un solvant aromatique, avant le dépôt d'au moins une couche photostructurable ( 4) en résine. 8 Procédé de fabrication selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche d'adhérence ( 1) est insolée à travers un masque ( 3) et développée, 10 avant le dépôt de la couche photostructurable ( 4). 9 Procédé de fabrication selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche d'adhérence ( 1) et la couche photostructurable ( 4) sont insolées simultanément à travers un masque ( 3). Procédé de fabrication selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche photostructurable ( 4) et la couche d'adhérence ( 1) sont développées successivement. 11 Procédé de fabrication selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'au moins deux couches photostructurables ( 4, 7) sont développées simultanément, après avoir été successivement déposées et insolées à travers deux masques ( 3, 8) différents.