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Au pays des MEMS

26 Février 2009, 19:42pm

Publié par Grégory SANT

Pointes avec disque d'oxyde se détachant : comme le silicium se détache plus lentement lorsqu'il est sous un masque, il prend progressivement la forme d'une pointe. Au bout du compte, la surface du piédestal supportant les disques est tellement réduite

 

Elles mesurent moins de cent millièmes de millimètre. Rendent des services irremplaçables à l'automobile et à la médecine. Les micromachines ou Mems (Micro-Electro-Mechanical Systems) ont d'ores et déjà envahi notre quotidien. À Villeneuve-d'Ascq, le groupe Microsystèmes silicium de l'Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN) prépare la prochaine génération de ces minidispositifs. Incorporant au moins un élément mobile ou vibrant, les prototypes qui y sont réalisés pourraient déboucher sur des applications dans le domaine des télécommunications ou de la biologie. À court terme, ils devraient aboutir à la réalisation de nouveaux outils intéressant la recherche sur les nanotechnologies. ur l'écran de l'ordinateur, la scène s'anime soudain. Un « actionneur » triangulaire commence un lent va-et-vient, poussant puis ramenant, l'extrémité d'une « poutre » placée à sa surface. À chaque fois que la pression s'exerce, celle-ci fléchit et se soulève conférant à une sorte de « miroir » rectangulaire un brusque mouvement de rotation. Lorsqu'elle se relâche, la plaque réfléchissante redescend et pivote instantanément vers sa position initiale. « Actionneur », « poutre » et « miroir », emportés dans une furieuse sarabande, s'agitent dans un paysage surréaliste fait d'un vaste ensemble de crevasses et de plateaux… La séquence digne de la science-fiction n'a pas été tournée dans un studio à Hollywood. Mais, plus près de nous, dans un laboratoire du Nord : l'Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN) du CNRS à Villeneuve-d'Ascq. Elle mériterait pourtant d'être montrée au cinéma : les entités se mouvant sur le moniteur trouveraient facilement leur place dans un film fantastique. D'autant qu'elles constituent un Mems (Micro-Electro-Mechanical Systems), l'une de ces machines futuristes dont la taille ne dépasse pas les cent millièmes de millimètre. Grossi une centaine fois à l'aide d'un microscope « Hi-Scope », l'ensemble de ce dispositif destiné à l'optique adaptative est plus petit qu'une bille de stylo !
Auteur de ces images virtuelles, Lionel Buchaillot dirige depuis trois ans la recherche sur ces minuscules engins au sein de l'IEMN, un centre, au départ, plutôt spécialisé dans la « microélectronique III-V », c'est-à-dire dans la mise au point de composants électroniques très rapides. Après un post-doc au laboratoire franco-japonais LIMMS (Laboratory for Integrated Micro-Mechatronics Systems) à Tokyo, ce mécanicien de formation a rejoint en 1998 le groupe « Microsystèmes silicium », fédérant des chercheurs des départements STIC et SPI1 du CNRS et récemment créé par le micro-électronicien Dominique Collard. Avec le physicien Bernard Legrand et huit doctorants, ils constituent à eux tous, l'un des pôles d'excellence du domaine des Mems en France. Leur credo ? Les micromachines en silicium, certes. Mais, surtout celles incorporant au moins un élément mobile ou vibrant : « C'est-à-dire, la catégorie des micro-objets conçus pour agir directement sur quelque chose : lumière, onde électromagnétique ou faible masse », explique Lionel Buchaillot. Pour mener à bien leurs travaux, 600 m2 de salle blanche ont été rajoutés en 1999 aux 1000 déjà consacrés à la micro électronique au sein de l'IEMN. Là, protégés de la poussière ambiante par d'épais vitrages, chercheurs, ingénieurs, techniciens et doctorants disposent des équipements nécessaires à la réalisation des microcomposants en silicium. Lithographie optique et électronique, implantation ionique, dépôt de matériaux…
« En tout, trente étapes au minimum sont, en effet, nécessaires à la  fabrication d'un Mems, raconte Lionel Buchaillot. Et, comme il s'agit de microdispositifs originaux, chaque  nouveau procédé doit être validé comme un prototype ! » Dans ces locaux, sont nées les micromachines les plus diverses. Comme beaucoup des thèses sont cofinancées par le privé, les doctorants se consacrent à des applications à moyen terme, surtout destinées au domaine des télécommunications. Cela va du mini-interrupteur pour les radars à de nouveaux « filtres », des dispositifs qui permettent de sélectionner la longueur d'onde de fonctionnement d'un téléphone portable parmi toutes celles arrivant à son antenne. Ici, un « filtre-microsystème », constitué d'une « poutre » vibrante en silicium placée entre deux électrodes, est en cours de mise au point. « Intégré à l'électronique, il permettra d'économiser de l'énergie et de réduire d'environ 100 000 fois la surface actuellement dédiée à ce composant dans les téléphones : soit quelques millimètres carrés. »

 

Piédestaux 

© L. Buchaillot/CNRS Photothèque

Piédestaux avec disque d'oxyde : les « filtres »
des téléphones portables permettent de sélectionner la longueur d'onde de fonctionnement de ces appareils parmi toutes celles arrivant à leurs antennes. Ceux en développement à l'IEMN sont économes en énergie et 100 000 fois plus petits que ceux actuellement sur le marché. Ils sont constitués de deux électrodes entre lesquelles les scientifiques disposent un «résonateur», un élément capable de vibrer à la fréquence du signal électrique que l'on souhaite filtrer. La réalisation de cette dernière pièce en forme de pointe nécessite plusieurs étapes. Dans une première phase, les spécialistes disposent des « masques », des disques d'oxyde de silicium, sur une surface en silicium monocristallin. Puis creusent celle-ci selon
un procédé dit de gravure ionique réactive isotrope.

 

 

rangéespointes 

© L. Buchaillot/CNRS Photothèque

Rangée de pointes après deux oxydations : pour obtenir des pointes encore plus acérées, les chercheurs procèdent à deux reprises à une oxydation du piédestal de silicium.

 

 

réseaudemisphere 

© L. Buchaillot/CNRS Photothèque

Réseau de demi-sphères procédé pointe : puis, la rangée de pointes ainsi obtenue est recouverte d'oxyde de silicium formant un réseau de demi-sphères.

 

 Source : www2.cnrs.fr

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