Brevet FR2910891A1 — publié le 20080704

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne deux procédés pour diminuer la tension d'alimentation d'un micro-actionneur d'entraînement par frottement impulsionnel (dénommé "SDA" pour "Scratch Drive Actuator"), incluant l'utilisation d'une plaquette en silicium ultra-basse résistivité en tant que substrat de SDA et la diminution de la largeur de ligne de la pièce en équerre et de la poutre de support du SDA. La technologie essentielle adoptée dans la présente invention est le processus de micro-usinage en surface basé sur polysilicium de la technologie des systèmes microélectromécaniques (MEMS) offrant les avantages d'une fabrication par lots, d'un coût faible et d'une compatibilité élevée avec la technologie des circuits intégrés. ARRIÈRE-PLAN DE L'INVENTION Le développement et l'application de la technologie de miniaturisation constituent une tendance essentielle de la science moderne. En particulier, les technologies des circuits intégrés (IC) et des systèmes microélectromécaniques (MEMS) constituent les procédés de base du monde microscopique depuis quelques années. Le dispositif de micro-ventilateur le plus petit du monde qui présente une dimension de 2 mm x 2 mm (comme représenté sur la figure 7 illustrant un micro-ventilateur tournant basé sur les MEMS et décrit dans l'article de R.J. Linderman, P.E. Kladitis et V.M. Bright intitulé "Development of the microrotary fan" paru dans la revue "Sensors and Actuators" A, vol. 95, 2002, pp. 135-142) est construit au moyen de micro-pales et de micro-actionneurs d'entraînement par frottement impulsionnel (SDA) en auto-assemblage. Le micro-ventilateur actionné par SDA est fabriqué en utilisant une technologie de micro-usinage en surface basée sur polysilicium (processus MEMS multi-utilisateur, soit MUMP), comme la figure 8 le montre. Une puce de micro-moteur ainsi réalisée est présentée en figure 9 qui illustre un micro-moteur linéaire basé sur SDA et décrit dans l'article de R.J. Linderrnan et V.M. Bright, "Optimized Scratch Drive Actuator for Tethered Nanometer Positioning of Chip Sized Components," Technical Digest 2000 Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Islä SC, 2000, pp. 214-217. De nombreuses recherches et de nombreuses applications d'un dispositif de SDA ont été rapportées dans la littérature antérieure. Par exemple, Terunobu Akiyama et ses partenaires ont en premier lieu proposé le déplacement par pas commandé de façon électrostatique (c'est-à-dire un actionneur d'entraînement par frottement impulsionnel) au niveau d'un micro-coulisseau en polysilicium, d'un micro-moteur et d'un support X/Y. Comme leurs résultats expérimentaux le montrent, la vitesse des micro-structures est une fonction de la fréquence impulsionnelle appliquée, et la longueur de pas est une fonction de la valeur de crête de l'impulsion appliquée et de la longueur de la plaque de SDA. Ces personnes présentent également une nouvelle technologie de reconfiguration de base pour réaliser des structures en silicium tridimensionnelles. Par ailleurs, Ryan J. Linderman et Victor M. Bright ont proposé un nouveau micro-ventilateur tournant basé sur MEMS en utilisant des technologies SDA et d'auto-assemblage par soudure. Leurs publications ont présenté un ventilateur tournant MEMS entraîné électrostatiquement qui peut avoir sa dimension de même que son poids davantage réduits en gravant dans la masse le substrat du moteur - en laissant seulement une couche structurelle mince pour supporter le moteur et le réseau de pales de ventilateur. Les aspects de conception critiques des dispositifs SDA sont les dimensions de la couche en polysilicium structurelle, de la pièce en équerre, de la couche diélectrique et des poutres de support. Les dimensions optimisées adoptées au niveau de leur conception de micro-ventilateur sont : une plaque de SDA d'une longueur de 78 p.m sur une largeur de 65 pm, une hauteur de pièce en équerre de 1,5 !lm ; les poutres de support d'une épaisseur de 1,5 lm présentent une largeur de 4 ptm et une longueur de 30 Le micro-moteur tournant SDA a été développé depuis plus de dix ans mais cependant, ce dispositif présente des applications commerciales limitées 0 du fait de sa tension d'alimentation élevée. Afin de surmonter cet inconvénient, la présente invention vise à développer un dispositif de micro-SDA à tension d'alimentation faible en utilisant une plaquette en silicium ultra- basse résistivité en tant que substrat SDA et à diminuer la largeur de ligne de la pièce en équerre et de la poutre de support du SDA. La figure 1 représente le mécanisme de fonctionnement de base du SDA. Conformément aux descriptions de Bright et Linderman, le déplacement par pas commence par le fait que l'extrémité libre d'une plaque de SDA (10) est chargée électrostatiquement à l'aide de la tension en provoquant un mouvement brusque, ce qui conduit au fait que l'extrémité de plaque est abaissée selon un mouvement brusque pour toucher la couche diélectrique en nitrure (12). Lorsque la puissance est augmentée jusqu'à la tension d'amorçage, l'extrémité de plaque est déviée suffisamment pour prendre une forme plane selon une pente de zéro au niveau de l'extrémité libre. Pour finir, lorsque la puissance appliquée est supprimée, l'énergie de contrainte stockée dans la poutre de support, la plaque de SDA et la pièce en équerre (11) tire la plaque de SDA vers l'avant en terminant le pas d'avancement. Ce déplacement par pas peut être répété à des fréquences allant jusqu'à 15 kHz dans un environnement d'air. La figure 2 représente la structure et l'implantation de SDA en trois dimensions (3-D) conçues selon la présente invention. Afin d'améliorer la tension d'alimentation du micro-SDA, la présente invention ajoute l'implantation de trous de gravure au niveau de l'implantation de la plaque de SDA. Une fois que les trous de gravure sont ajoutés à l'implantation de la plaque de SDA classique, la libération de la couche de structure peut être accélérée et les charges résiduelles accumulées au niveau de l'extrémité avant de la plaque de SDA sont réduites. Selon cette conception innovante, une durée de vie plus longue et une tension d'alimentation plus faible du dispositif de SDA peuvent être obtenues. La figure 3 représente le nouveau substrat et les étapes a à h essentielles du procédé de fabrication de SDA adoptés selon la présente invention, dans lesquels il est utilisé une plaquette en silicium ultra-basse résistivité (de 0,001 à 0,004 0-cm) en tant que nouveau substrat du dispositif de SDA et la largeur de ligne de la pièce en équerre et de la poutre de support du SDA est diminuée de telle sorte qu'elle varie de 2 pm à 1,5 pm en utilisant un processus de dépôt additionnel d'une seconde couche sacrificielle d'une épaisseur de 0,25 pm. RÉSUMÉ DE L'INVENTION Sur la base de la théorie de la division de tension, la présente invention propose un nouveau procédé pour diminuer la tension d'alimentation du micro-actionneur d'entraînement par frottement impulsionnel (SDA) en utilisant une plaquette en silicium ultra-basse résistivité en tant que substrat. La présente invention présente également un nouveau procédé de fabrication de SDA pour surmonter la limitation inhérente en termes de largeur de ligne de l'aligneur de masque classique avec une source de lumière d'une longueur d'onde UV de 4360 À et afin d'en outre réduire la tension d'alimentation du SDA. La présente invention a comparé deux actionneurs de SDA (SDA monoplaque) présentant les mêmes implantations et les mêmes étapes de fabrication mais selon des résistivités différentes des substrats. Le SDA monoplaque sur la plaquette faible résistivité a révélé une tension d'alimentation plus faible de seulement environ 4 à 12 Vo.p. Cependant, le SDA classique qui utilise une plaquette en silicium normale (20 0-cm) a besoin d'une tension d'alimentation plus élevée (de 30 à 75 Vo.p), ce qui fait qu'il présente par conséquent une possibilité d'utilisation plus faible pour des applications commerciales. Un tel dispositif de SDA avec les nouvelles conceptions de matériel, de procédé et d'implantation selon l'invention peut être appliqué au développement d'un micro-assemblage module/système thermique, au développement d'un micro-assemblage dispositif/structure au développement d'un micro-système à fluide ou au développement d'un micro-commutateur optique/de télécommunication. Selon la présente invention, un micro-actionneur d'entraînement par frottement impulsionnel (SDA) inclut une plaque de SDA qui présente l'une des formes incluant au moins une plaque de SDA en triangle avec une conception par trous de gravure, une plaque de SDA en rectangle avec une conception par trous de gravure et une plaque de SDA hexagonale avec une conception par trous de gravure ; de telle sorte qu'une fois que les trous de gravure sont ajoutés à l'implantation d'une plaque de SDA classique, la libération de la couche de structure peut être accélérée et les charges résiduelles accumulées au niveau de l'extrémité avant de la plaque de SDA sont réduites ; et au moins quatre rapports longueur/largeur différents de plaque de SDA ont été conçus, incluant 58 pm160 , 68 pm/60 pm, 78 m160 atm et 78 l.tm165 p. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS 10 La figure 1 est un schéma qui représente le mécanisme opératoire de base d'un actionneur d'entraînement par frottement impulsionnel classique ; la figure 2 représente la conception de structure et d'implantation en 3-D d'un dispositif de SDA mis en oeuvre selon la présente invention, la conception par trous de gravure et par dépressions ayant été ajoutée à 15 l'implantation de la plaque de SDA pour entraîner la réduction de la tension d'alimentation ; la figure 3 est un schéma qui représente les étapes principales a à h du procédé de fabrication du SDA (avec une pièce en équerre d'une largeur de 1,5 1.tm) adoptées selon la présente invention ; 20 la figure 4 représente deux microphotographies SEM du dispositif de SDA autonome mis en oeuvre avec la conception par trous de gravure et par dépressions ; la figure 5 est une illustration qui représente l'influence de la tension d'alimentation pour deux résistivités différentes d'un substrat de SDA ; 25 la figure 6 est une illustration qui représente l'influence de la tension d'alimentation pour trois formes différentes et quatre rapports longueur/largeur différents de la plaque de SDA, la figure 7 montre un micro-ventilateur tournant basé sur la technologie MEMS selon l'art antérieur et construit au moyen de micro-pales et de micro- 30 actionneurs d'entraînement par frottement impulsionnel (SAC) en auto-assemblage, la figure 8 montre des étapes de fabrication d'un MEMS multiutilisateur MUMP) selon l'art antérieur, et la figure 9 montre un micro-moteur tournant linéaire basé sur SDA selon l'art antérieur. DESCRIPTION DETAILLÉE DU MODE DE RÉALISATION PRÉFÉRÉ Les dispositifs basés sur SDA présentent des applications commerciales limitées du fait de leurs tensions d'alimentation élevées. Afin de surmonter cet inconvénient, la présente invention vise à développer un dispositif de micro-SDA à tension d'alimentation faible en utilisant une plaquette en silicium ultra-basse résistivité en tant que substrat de SDA et à diminuer la largeur de ligne de la pièce en équerre et de la poutre de support du SDA. Les nouvelles conceptions en termes d'implantation et de procédé proposées dans la présente invention sont représentées sur la figure 2 et sur la figure 3, lesquelles nouvelles conceptions permettent de réduire de manière efficace la tension d'alimentation de dispositif de SDA. Selon cette conception innovante, une durée de vie plus longue et une tension d'alimentation plus faible du dispositif de SDA peuvent être obtenues. La figure 2 représente la structure et l'implantation de SDA en 3-D conçues selon la présente invention. Afin d'améliorer la tension d'alimentation du micro-SDA, la présente invention ajoute l'implantation de trous de gravure à la conception d'implantation classique d'une plaque de SDA. Par ailleurs, afin de réduire l'effet de frottement au démarrage, de nombreuses micro-dépressions 31 ont été conçues selon la présente invention, comme représenté sur la figure 2. La figure 3 représente le nouveau substrat et les étapes du nouveau procédé de fabrication de SDA adoptées selon la présente invention, dans lesquelles il est utilisé une plaquette en silicium ultra-basse résistivité (de 0,001 à 0,004 û-cm) en tant que nouveau substrat du dispositif de SDA et la largeur de ligne de la pièce en équerre et de la poutre de support du SDA est diminuée de telle façon qu'elle s'inscrive dans la plage de 2 gm à 1,5 pm en utilisant un processus de dépôt additionnel d'une seconde couche sacrificielle d'une épaisseur de 0,25 pm. Les étapes de traitement complètes nécessitent au moins cinq photomasques, et la technologie de fabrication essentielle adoptée selon la présente invention est le procédé de micro-usinage en surface basé sur polysilicium, Les étapes de traitement principales sont décrites comme suit en référence à la figure 3 : (a) gravure ionique réactive (RIE) d'une couche isolante en nitrure de silicium faible contrainte d'une épaisseur de 600 nm (21) déposé sur un substrat en silicium ultra-basse résistivité (20) ; (b) dépôt chimique en phase vapeur assisté plasma (PECVD) d'une couche sacrificielle en PSG (verre de phosphosilicate) d'une épaisseur de 1,5 pm (23) sur la surface de la couche isolante (21) et utilisation d'un système RIE pour conformer les zones d'ancrage (22), de dépression (24) et de pièce en équerre (25) ; (c) dépôt d'une seconde couche sacrificielle en PSG d'une épaisseur de 0,25 pm (26) en utilisant un système PECVD afin de modifier la largeur de pièce en équerre de 2 pm à 1,5 m ; (d) après le troisième processus de photolithographie, la seconde couche sacrificielle PSG (26) sera conformée au moyen d'un système de 20 gravure plasma à couplage inductif (ICP) ; (e) dépôt d'une couche structurelle en polysilicium d'une épaisseur de 2 pm (30) sur la seconde couche sacrificielle en PSG (26) en utilisant un système de dépôt chimique en phase vapeur basse pression (LPCVD) qui est mis en oeuvre à l'aide des processus de diffusion et de recuit de libération de 25 contraintes POCAL dans un four horizontal ; (f) après le quatrième processus de photolithographie, la couche structurelle en polysilicium d'une épaisseur de 2 pm (30) sera conformée au moyen d'un système de gravure plasma à couplage inductif (ICP) ; (g) dépôt de multiples couches métalliques en Au/Cr d'une 30 épaisseur de 100 nm/30 nm sur la plaquette au moyen d'un système d'évaporateur par faisceau d'électrons ; utilisation du cinquième processus de photolithographie et d'un processus de gravure par voie humide afin de définir le motif des électrodes supérieure (41) et inférieure (42) ; et (h) gravure par voie humide des couches sacrificielles en PSG (23, 26) et libération de la couche de structure en polysilicium (30) du dispositif de 5 SDA. La figure 4 représente deux photographies par microscope électronique à balayage (SEM) du dispositif de SDA autonome mis en oeuvre avec des trous de gravure et des configurations de dépressions. Une contrainte bien contrôlée des couches structurelles en polysilicium peut être démontrée sur 10 ces images. La conception d'implantation complète du micro-SDA nécessite au moins cinq photomasques et la technologie de fabrication essentielle adoptée selon la présente invention est constituée par les processus de micro-usinage en surface basé sur polysilicium. Comme la figure 5 le montre, la tension d'alimentation de la présente 15 invention (courbe A) qui utilise un substrat en silicium ultra-basse résistivité (de 0,001 0-cm) est beaucoup plus faible que celles des recherches précédentes (courbe B) utilisant une plaquette en silicium normale (de 10 0-cm) en tant que substrat de SDA. Afin d'investiguer les paramètres géométriques optimisés de la plaque 20 de SDA, la présente invention a comparé l'influence de la tension d'alimentation sur des plaques de SDA de trois formes différentes et de quatre rapports longueur/largeur différents. Selon les résultats de tests tels que représentés sur la figure 6, la plaque de SDA en triangle présente une tension d'alimentation plus élevée que la forme en rectangle. Bien que la plaque de 25 SDA à laquelle sont ajoutés des trous de gravure permette d'accélérer la libération de la couche de structure et de réduire les charges accumulées, elle augmentera cependant légèrement la tension d'alimentation du micro-moteur de SDA. La dimension optimisée de la plaque de SDA est clairement indiquée sur la figure 6. Lorsque le rapport de la longueur de plaque sur la largeur de 30 plaque est égal à 78/65, la tension d'alimentation la plus faible peut être obtenue. BRÈVE DESCRIPTION DES SYMBOLES DE DISPOSITIF ESSENTIELS (10) plaque de SDA (11) pièce en équerre (12) couche isolante (13) substrat en silicium (20) substrat en silicium ultra-basse résistivité (21) couche isolante (22) zone d'ancrage (23) première couche sacrificielle faible contrainte (24) zone de dépression d'une largeur de 2 lm (25) zone de pièce en équerre d'une largeur de 2 gm (26) seconde couche sacrificielle faible contrainte (30) couche de structure (31) dépression d'une largeur de 1,5 (32) pièce en équerre d'une largeur de 1,5 pm (41) électrode supérieure (42) électrode inférieure RÉFÉRENCES [1] R.J. Linderrnan, P.E. Kladitis, V.M. Bright, "Development of the microrotary fan," Sensors and Actuators A, Vol.95, 2002, pp.135-142. [2] R.J. Linderrnan et V.M. Bright, "Optimized Scratch Drive Actuator for Tethered Nanometer Positioning of Chip Sized Components," Technical Digest 2000 Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Isl., SC, 2000, pp. 214-217. [3] L. Li, J.G Brown et D. Uttamchandani, "Flexing of Scratch Drive Actuator Plates: Modeling and Experimentation," IEEE Proc.-Sci. Meas. Technology, Vol. 151, No.3, 2004. [4] T. Akiyama, K. Shono, "Controlled Stepwise Motion in Polysilicon Microstructures," J. Microelectromech. System, Vol.3, 1993, pp.106-110. [5] T. Akiyama et H. Fujita, "A Quantitative Analysis of Scratch Drive Actuator Using Buckling Motion," J .Microelectromech. System, Vo1.29, 1995, pp.310. [6] T. Akiyama et K. Shono, "A New Step Motion of Polysilicon Microstructures," IEEE MicroElectro Mechanical Systems (FL, USA, Fév. 1993), pp.272-277. [7] P. Langlet, D. Collard, T. Akiyama, H. Fujita, "A Quantitative Analysis of Scratch Drive Actuation for Integrated X/Y Motion System," Solid State Sensors and Actuators, Vol.2, 1997, pp.773-776. [8] T. Akiyama, D. Collard et H. Fujita, "Scratch Drive Actuator with Mechanical Links for Self-Assembly of Three-Dimensional MEMS," J.Microelectromech System, Vol.6, 1997, pp. 10-17. [9] R.J. Linderrnan et V.M. Bright, "Nanometer Precision Positioning Robots Utilizing Optimized Scratch Drive Actuators, " Sensors and Actuators A, Vol.91, 2001, pp.292-300. [10] E. Quevy, P. Bigotte, D. Collard et Lionel Buchaillot, "Large Stroke Actuation of Continuous Membrane for Adaptive Optics by 3D Self-assembled Miroplates," Sensors and Actuators A, Vol.95, 2002, pp.183-195. [11] Y. Fukuta, T. Akiyama et H. Fujita, "A Reshaping Technology with Joule Heat for Three Dimensional Silicon Structures," Solid-State Sensors and Actuators, Vol.1, 1995, pp.174-177. REVENDICATIONS 1. Procédé de réduction de la tension d'alimentation de micro-actionneurs d'entraînement par frottement impulsionnel (SDA), caractérisé en ce qu'il comprend : a. une première étape consistant à adopter une plaquette en silicium ultra-basse résistivité (20) en tant que nouveau matériau de substrat d'un dispositif de SDA ; et b. une deuxième étape consistant à diminuer la largeur de ligne d'une pièce en équerre (11) et d'une poutre de support de SDA en ajoutant un processus de dépôt additionnel à un processus de SDA normal afin de surmonter la limitation de largeur de ligne inhérente (2 lm) d'un aligneur de masque de ligne g classique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résistivité de la plaquette en silicium ultra-basse résistivité (20) est comprise entre 0,001 D-cm et 0,004 D-cm. 3. Micro-actionneur d'entraînement par frottement impulsionnel (SDA), caractérisé en ce qu'il est fabriqué selon le procédé défini dans la revendication 1 ou 2. 4. Micro-actionneur (SDA) selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un micro-moteur de SDA. 5. Micro-actionneur (SDA) selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un micro-ventilateur basé sur SDA. 6. Micro-actionneur (SDA) selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un micro-assemblage module/système thermique. 7. Micro-actionneur (SDA) selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un micro-assemblage dispositif/structure. 8. Micro-actionneur (SDA) selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un micro-système à fluide. 9. Micro-actionneur (SDA) selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un micro-commutateur optique/de télécommunication.