Brevet FR2966845A1 — publié le 20120504

Procédé de fabrication de micro-composant métallique comportant l'élaboration d'un moule en silicium Le domaine de l'invention est celui des technologies de type LIGA-UV qui permettent d'élaborer des pièces mécaniques d'horlogerie, des micro-composants de type MEMS ou de type MOEMS pouvant être notamment des micro-résonateurs, des composants électro-optiques, des mémoires magnétiques ou bien encore des micro réacteurs. De manière générale, la photolithogravure représente un pilier des outils qui ont permis le développement de toute l'électronique moderne : les circuits intégrés à haute densité, base des microprocesseurs en sont l'exemple le plus marquant. La base de cette technique repose sur la 1 o duplication optique collective de motifs à l'échelle submicronique, voire nanométrique, dans des résines photosensibles déposées sur des wafers semi-conducteurs. L'exploitation de la photolithogravure à des fins micromécaniques est historiquement née d'une part des propriétés de la gravure chimique anisotrope profonde du silicium en raison d'une sélectivité 15 naturelle très élevée de la gravure de certains plans cristallographiques part, et d'autre part des propriétés mécaniques intrinsèques de ce matériau. Mais un des points faibles de ces technologies des semiconducteurs pour leur exploitation en micromécanique est leur caractère très fortement planaire. Les motifs qu'il est possible de réaliser par celles-ci sont 20 effectivement très précis, donc adaptés à la miniaturisation, mais limités à la structuration de couches minces. L'intérêt de ces micro-technologies mécaniques pour la fabrication de microsystèmes, dans le domaine des capteurs notamment, a poussé peu à peu à les faire évoluer de façon à pallier ce défaut. 25 Il a été proposé un procédé de LIGA « X », le sigle LIGA étant un acronyme allemand signifiant Lithographie Galvanoformung (électroformage) Abformung (moulage) qui représente les différentes étapes de ce procédé, procédé notamment décrit dans les articles :"Deep etch x-ray lithography using sil/con-gold masks fabricated by deep etch UV lithography and 30 electroforming" S.Ballandras, W.Daniau, S.Basrour, L.Robert, M.Rouillay, P.Blind, P.Bernède, D.Robert, S.Rocher, D.Hauden, S.Megtert, A.Labèque, L.Zewen, H.Dexpert, R.Comes, F.Rousseaux, M.F.Ravert & H.Launois, J.Micromech. Microeng. 5 (1995) 203-208, "Micrognppers fabricated by the LIGA technique" S.Ballandras, S.Basrour, L.Robert, S.Megtert, P.Blind, M.Rouillay, P.Bernède, W.Daniau, Sensors & Actuators A Vol 58, Issue 3 (1997) 265-272, "Microfabrication tools for the design of 3D microdevices ; N.Tirole, S.Ballandras, W.Daniau, P.Blind, E.Bonotte (poster - 1993) Historiquement, à la fin des années 1980, l'étape de lithographie était une lithographie aux rayons X sur une couche épaisse de PMMA elle-même déposée sur un substrat métallisé. Cette étape était très lourde techniquement parlant, car elle nécessitait ni plus, ni moins qu'un synchrotron. En revanche, la pénétration très directive des rayons X permettait de sensibiliser plus d'un millimètre d'épaisseur de PMMA avec une verticalité de l'ordre de la minute d'angle. Après cette exposition aux rayons X, le PMMA était ensuite développé chimiquement (chloroforme) pour atteindre la couche métallique du substrat. L'électroformage consiste alors à faire croître le métal par électrodéposition dans les microstructures développées précédemment (le métal déposé est le plus souvent du nickel qui possède de bonnes propriétés mécaniques pour l'étape finale de moulage). Le moulage intervient après dissolution du PMMA autour duquel s'est constitué le moule en nickel qui devient donc l'outil de moulage, 20 généralement d'injection. Il apparaît que pour cette technologie LIGA-X, compte tenu des coûts d'insolation, le but était de réaliser un moule métallique extrêmement précis qui allait alors servir d'outil pour la réalisation finale des pièces en polymère, souvent par injection. 25 Au cours des années 1990, pour s'affranchir de l'utilisation d'un synchrotron, des résines épaisses (SU-8, négatives) ont été développées spécifiquement (dont par SNELL) permettant alors l'insolation aux rayons UV. Les épaisseurs avec ces résines sont en revanche limitées à quelques centaines de microns. Par ailleurs, suite à cette évolution, le moulage (par 30 injection) est devenu nettement moins fréquent pour en fait se limiter à l'obtention des pièces nickel dés après l'électroformage. Il a déjà été ainsi proposé dans l'art antérieur et notamment dans la demande de brevet WO 2007/104171, un procédé de fabrication par LIGA- 35 UV d'une structure métallique multicouche comportant au moins une seconde couche non entièrement superposée à celle-ci et décrivant la réalisation d'un moule de résine avec une irradiation UV, puis le dépôt galvanique d'une première couche, le dépôt d'une couche métallique d'accrochage sur toute la surface et ainsi de réitérer les étapes précédentes, enfin de détacher du substrat la structure multicouche métallique et de séparer la pièce métallique du photoresist, ainsi selon cette demande de brevet, le masque proposé pour l'élaboration des motifs est en résine photosensible. Il en est de même dans le brevet EP1835 339 décrivant un procédé de fabrication par LIGA-UV d'une structure métallique monocouche ou multicouche reprenant des étapes classiques de masquage de résine de photoresist et d'étape de dépôt par électroformage et précisant que la structure métallique monocouche ou multicouche est réalisée à la surface d'un substrat massif métallique, le masque proposé pour l'élaboration des motifs est ainsi également en résine photosensible. Le demandeur peut encore citer des références telles que le brevet EP 1 916 567 relatif à une méthode d'assemblage de deux éléments dont un obtenu par photolithographie et électroformage et l'autre non. Il est proposé de réaliser un masque en résine avec des piliers qui servent en plus de guidage pour des inserts puis de placer un élément rapporté dans le moule photoresist, de déposer une couche métallique par électroformage enserrant tout ou partie de l'élément rapporté et de séparer la pièce composite du substrat. Le masque proposé pour l'élaboration des motifs est à nouveau en résine photosensible. Dans ce contexte, la présente invention propose de réaliser un moule ou préforme élaboré dans un substrat massif, au moins métallisé en surface et non plus en utilisant comme dans l'art antérieur connu, une résine photosensible (généralement négative) déposée, insolée puis éliminée. Un tel procédé permet notamment dans le cadre de procédés de fabrication de pièces complexes nécessitant plusieurs niveaux de masquage, une meilleure réitération des étapes de fabrication, sans dégradation des couches précédentes de photoresist et d'obtenir des structures à nombre de niveaux plus élevés que dans le cadre de l'emploi de photoresists selon l'art antérieur. Un tel moule en substrat massif comportant des motifs gravés peut alors servir avantageusement de préforme pour procéder à des opérations notamment d'électroformage afin de définir des pièces métalliques présentant des motifs de très petites dimensions. Plus précisément la présente invention a pour objet un procédé de 5 fabrication de micro-composant métallique caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - l'élaboration d'un premier substrat comportant une première couche métallique et d'un second substrat comportant une seconde couche métallique 10 - l'assemblage par compression des deux substrats mettant en contact lesdites première et seconde couches métalliques ; - la réalisation d'un moule, par gravure d'au moins un des deux substrats pour réaliser au moins une cavité, laissant à nu au moins une partie d'une des couches métalliques ; 15 - la croissance de motifs métalliques à l'intérieur desdites cavités ; - l'élimination dudit moule. Selon une variante de l'invention, la gravure comprend une première étape de gravure au niveau d'une première face dudit premier substrat et 20 une seconde étape de gravure au niveau d'une seconde face dudit premier substrat et opposée à ladite première face, de manière à définir un masque complexe à deux niveaux. Selon une variante de l'invention, le premier substrat est en silicium. Selon une variante de l'invention, le second substrat est en silicium 25 Selon une variante de l'invention, la gravure est réalisée par DRIE. Selon une variante de l'invention et pour la réalisation des motifs très simples, la gravure est réalisée par usinage chimique anisotrope. Selon une variante de l'invention, la gravure DRIE comprend une alternance d'étapes de gravure par SF6 et de dépôt de C4F8. 30 Selon une variante de l'invention, l'opération de croissance des motifs est réalisée par électroformage. Selon une variante de l'invention, l'étape d'électroformage est réalisée avec un bain galvanique de sulfamate de nickel. Selon une variante de l'invention, les motifs sont en alliage 35 métallique. Selon une variante de l'invention, le procédé comprend une opération de thermo-compression pour assembler les deux substrats. Selon une variante de l'invention, le procédé comprend une opération de compression à température ambiante pour assembler les deux substrats L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - les figures 1 a à 1d illustrent les étapes d'un premier exemple de procédé selon l'invention ; - les figures 2a à 2e illustrent les étapes d'un second exemple de procédé selon l'invention ; - les figures 3a à 3f illustrent les étapes d'un troisième procédé selon l'invention. De manière générale, le procédé de la présente invention comprend l'assemblage par compression de deux substrats, dont l'un est gravé pour servir de moule à des étapes ultérieures de croissance de motifs permettant 20 d'élaborer des pièces complexes. Avantageusement, l'assemblage peut être une opération de soudure par thermo-compression, le procédé de gravure pouvant avantageusement être un procédé de gravure DRIE. Ce type de gravure permet de réaliser des éléments en 2D translatés 25 appelés encore des éléments en 2,5D, en s'appuyant sur le silicium comme matériau de base et la possibilité de le graver sur des profondeurs importantes par gravure sèche. De manière générale, les procédés de gravure DRIE s'appuient sur la combinaison de procédé de gravure chimique-ionique à l'aide d'une 30 source plasma haute densité et de procédé de dépôt de masque de passivation permettant de protéger les flancs gravés et ainsi assurer l'anisotropie. Premier exemple de procédé de fabrication selon l'invention 35 permettant de réaliser des pièces métalliques pleines : 15 Selon cet exemple illustré grâce aux figures la à Id, il est possible de procéder dans un premier temps à l'assemblage d'un substrat plein et d'un substrat évidé et ce notamment dans le cadre de la réalisation d'une pièce pleine : Etape 1 illustrée en fiqure la : On réalise une première cavité C, débouchante dans un substrat S21 en silicium, ladite cavité pouvant être préalablement réalisée par DRIE, présentant un dépôt métallique M21, correspondant à une première structure. 1 o On a réalisé en parallèle une métallisation M11 à la surface d'un substrat S11, correspondant à une seconde structure. Etape 2 illustrée en fiqure lb : On assemble les deux structures par report par une opération de soudure par thermo-compression, mettant en contact les deux métallisations 15 M11 et M21, sous pression. Etape 3 illustrée en fiqure 1c : On effectue une opération d'électroformage du métal dans la cavité de manière à fabriquer une pièce Pi1. Etape 4 illustrée en fiqure 1d : 20 On procède à l'élimination chimique du moule constitué par le substrat pour obtenir la pièce Pi1 et sa géométrie recherchée, grâce au moule préalablement élaboré. Deuxième exemple de procédé de fabrication selon l'invention 25 permettant de réaliser des pièces métalliques évidées Etape 1 illustrée en fiqure 2a : On réalise les métallisations M10 et M20 de deux substrats S10 et S20, encore dénommés classiquement wafer en silicium, de manière à obtenir 30 deux structures. Etape 2 illustrée en fiqure 2b : On assemble les deux structures par report par une opération de soudure par thermo-compression, mettant en contact les deux métallisations M10 et M20. 35 Etape 3 illustrée en fiqure 2c : On réalise une cavité Co dans le wafer silicium supérieur S10 par une opération de gravure de type DRIE, laissant un élément central afin de réaliser un moule avec cavité circulaire débouchante au sein dudit substrat S10- Etape 4 illustrée en fiqure 2d : On effectue une opération d'électroformage du métal dans la cavité de manière à fabriquer une pièce Pio. Etape 5 illustrée en fiqure 2e : On procède à l'élimination chimique du moule pour obtenir la pièce 1 o Pio et sa géométrie recherchée, grâce audit moule préalablement élaboré. Ainsi, le concept du procédé de la présente invention peut être décliné suivant différentes alternatives et ce selon que les pièces à fabriquer 15 sont des pièces pleines ou des pièces comportant des évidements, ou tout autre type d'ouvertures. Troisième exemple de procédé de fabrication selon l'invention permettant de réaliser des pièces métalliques complexes multi-niveaux : 20 Selon cet exemple, on réalise une pièce dite multi-niveaux en fabriquant selon le procédé de la présente invention, un moule sur plusieurs niveaux. Etapes 1 et 2 illustrées en fiqure 3a et 3b : 25 A partir d'un substrat S22, on réalise une métallisation face arrière (à confirmer oui) M22, on réalise une première gravure G1, en face dite avant. Etape 3 illustrée en fiqure 3c : On réalise dans un second temps, une seconde gravure G2 en face arrière du substrat S22 avec alignement double face, ladite gravure étant 30 débouchante sur la première gravure G1. Etape 4 illustrée en fiqure 3d : On procède alors à la soudure des deux substrats S21 et S22 avec définition d'un moule multi-niveaux comportant les gravures G1 et G2. Etape 5 illustrée en fiqure 3e : 35 On procède alors à une opération d'électroformage du métal dans la cavité de manière à fabriquer une pièce Pi2 au sein du moule multi-niveaux. Etape 6 illustrée en fiqure 3f : On procède enfin au retrait du moule multi-niveaux pour libérer la pièce métallique Pi2 réalisée par électroformage. Nous allons décrire ci-après des exemples de conditions opératoires permettant de réaliser le procédé de la présente invention et ce pour les différentes opérations. On peut procéder par dépôt PVD (« Physical Vapor Deposition ») sur un wafer de silicium de 4 pouces à une métallisation notamment de sous- 1 o couche d'accrochage de chrome et dépôt d'or (Cr-Au) d'environ 0,2 microns, sous une pression de 6,5 m Torr avec une intensité de 0,5 A. On peut réaliser la gravure DRIE en opérant des cycles de gravure par SF6 et dépôt C4F$ par gravure plasma, avec des étapes de temporisation d'une dizaine de minutes et ce avec une vitesse de gravure de substrat de 4 15 à 7 pm/min. Concernant l'opération d'électroformage : On peut utiliser un bain galvanique de sulfamate de nickel à une température comprise entre 50°C et 55°C avec une densité de courant de 0,5 à quelques A/dm2. La vitesse de dépôt peut typiquement être de quelques pm/h à 20 quelques dizaines de pm/h. Concernant l'opération d'élimination du moule, on peut utiliser une solution concentrée de KOH, le nickel étant inerte chimiquement dans le KOH, la température de la solution pouvant avantageusement être comprise entre environ 55 °C et 80 °C. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication de micro-composant métallique caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - l'élaboration d'un premier substrat (S1o, S11) comportant une première couche métallique (M10, M11) et d'un second substrat (S20, S21) 5 comportant une seconde couche métallique (M20, M21) ; - l'assemblage par compression des deux substrats mettant en contact lesdites première et seconde couches métalliques ; - la réalisation d'un moule, par gravure d'au moins un des deux substrats pour réaliser au moins une cavité (Co, C1), laissant à nu au moins 1 o une partie d'une des couches métalliques ; - la croissance de motifs métalliques à l'intérieur desdites cavités ; - l'élimination dudit moule permettant la libération du micro-composant métallique (Pio, Pif, Pi2). 15 2. Procédé de fabrication de micro-composant métallique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la gravure comprend une première étape de gravure au niveau d'une première face dudit premier substrat et une seconde étape de gravure au niveau d'une seconde face dudit premier 20 substrat et opposée à ladite première face, de manière à définir un moule complexe à deux niveaux. 3. Procédé de fabrication de micro-composant métallique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier substrat est 25 en silicium. 4. Procédé de fabrication de micro-composant métallique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le second substrat est en silicium 5. Procédé de fabrication de micro-composant métallique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la gravure est réalisée par DRIE. 30 6. Procédé de fabrication de micro-composant métallique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la gravure DRIE comprend une alternance d'étapes de gravure par SF6 et de dépôt de C4F8. 7. Procédé de fabrication de micro-composant métallique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la gravure est réalisée par usinage chimique anisotrope. 10 8. Procédé de fabrication de micro-composant métallique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'opération de croissance des motifs est réalisée par électroformage. 9. Procédé de fabrication de micro-composant métallique selon la 15 revendication 8, caractérisé en ce que l'étape d'électroformage est réalisée avec un bain galvanique de sulfamate de nickel. 10. Procédé de fabrication de micro-composant métallique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les motifs sont en 20 alliage métallique. 11. Procédé de fabrication de micro-composant métallique selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend une opération de thermo-compression pour assembler les deux substrats. 12. Procédé de fabrication de micro-composant métallique selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend une opération de compression à température ambiante pour assembler les deux substrats. 25 30