FR2775353A1 - Micro-fraise et procede de realisation, dans une structure, de microreliefs - Google Patents

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Abstract

L'invention a pour objet un dispositif d'usinage pour la réalisation de micro-reliefs dans un substrat, comportant : - un outil cylindrique (68), présentant un axe de symétrie cylindrique et une extrémité abrasive (69), - des moyens pour mettre l'outil cylindrique en rotation autour de son axe,- des moyens pour déplacer l'outil, par rapport au substrat, suivant un axe, ou suivant deux ou trois axes de l'espace (X, Y, Z) non parallèles deux à deux et non contenus dans un même plan.

Description

MICRO-FRAISE ET PROCEDE DE REALISATION, DANS UNE
STRUCTURE, DE MICRO-RELIEFS
Domaine technique
L'invention concerne l'usinage de composants miniaturisés, par exemple de composants micro-optiques.
L'invention se rapporte aussi aux domaines des micro-composants, des composants de micro-optique, des microlasers ou des amplificateurs guides d'onde solides pompés par diodes, des micro-capteurs. Elle se rapporte à la micro-technologie en général.
Les composants de micro-optique sont utilisés pour des applications en optique ou en optronique militaire et civile (télécommunications, industrie de grande consommation : "compact Disc", vidéo, ...) qui nécessitent une miniaturisation des composants et des systèmes, et ceci pour des raisons économiques et/ou technologiques. Ces composants peuvent être obtenus collectivement par des techniques de lithographie et/ou de gravure de matériaux optiques ou optroniques, dopés ou non, comme la silice ou le quartz, l'alumine ou le saphir, certains verres, le silicium, le germanium, le
ZnS, ZnSe, ou d'autres matériaux cristallins comme le niobate ou le tantalate de lithium (LiNbO3 ou LiTaO3), ou encore des polymères ou des nouveaux matériaux organiques.
Les microlasers et les amplificateurs guides d'onde sont des lasers solides monolithiques de petites dimensions pompés par diode laser. Leur avantage principal est leur structure, qui consiste en un empilement de multicouches qui permet de mettre en oeuvre des procédés de fabrication collective du type de ceux utilisés en micro-électronique. Ainsi, on peut réaliser des composants fiables à l'aide d'une technologie de production de masse, potentiellement à très faible coût (comme en micro-électronique).
Les micro-capteurs et la micro-technologie sont mis en oeuvre dans des domaines très variés comme l'automobile, la robotique, l'avionique, le spatial, le médical, les industries de grande consommation, ... Ces composants peuvent faire appel à des principes de fonctionnement, ainsi qu'à des associations de techniques, variés : électronique, mécanique, optique, magnétisme, chimie, biologie,... Ces technologies prennent une importance croissante dans un grand nombre de secteurs industriels où la disponibilité de composants miniaturisés, performants et de faible coût constitue un enjeu technico-économique important.
Etat de la technique
Ces divers composants sont actuellement réalisés par différentes techniques de micro-usinage.
On connaît tout d'abord la technique d'usinage par "tournage" en outil diamanté (machines souvent dénommées "CNC" dans la littérature).
La figure 1 représente le principe de cette technique. Une pointe diamant 2 permet d'usiner une pièce optique 4 (par exemple : un miroir de télescope) entraînée en rotation autour d'un axe de symétrie AA'.
Ce type de machine est utilisé par exemple pour la rectification ou la finition (polissage) de pièces de micro-optique comme, par exemple, des lentilles ou miroirs asphériques, des microlentilles diffractives, etc.. Les mouvements de ces machines et leurs outils sont adaptés aux besoins de l'optique : les mouvements sont précisément contrôlés, et les outils sont en général diamantés.
De par leur principe de fonctionnement, ces machines, dont l'outil est une pointe diamant, ne disposent pour l'usinage que de deux degrés de liberté (axes X et Z de la figure 1). De plus, on ne peut réaliser que des pièces ou des structures à symétrie de révolution, (autour de l'axe de rotation HA' de la pièce). Par ailleurs, l'usinage de structures sur des substrats (silicium ou silice par exemple), dont l'épaisseur est faible devant le diamètre, est rendu délicat de par la faible résistance mécanique des supports.
On connaît également la technique d'usinage par ultrasons. Cette technique est en général mise en oeuvre par les opticiens, et permet d'éroder par microrodage, ou de polir, des géométrie a priori quelconques dans les matériaux visés. Pour opérer, on dispose les pièces à usiner dans un bain d'abrasif et on applique, par l'intermédiaire d'un générateur de fréquence, une source d'ultrasons sur l'outil qui vient au contact des pièces pendant l'usinage. Le générateur de fréquence, pouvant servir de capteur de position, la précision de gravure et la qualité de flancs peuvent être relativement intéressante. Toutefois, cette technique vise à reproduire en négatif, dans le matériau à usiner, "l'image" de la partie active des outils. Il faut donc disposer de structures d'outils identiques aux reliefs à usiner, ce qui reporte la difficulté d'usinage dans la génération de la forme des outils.
Une autre technologie d'usinage, en général utilisée par les mécaniciens, est la technique d'électroérosion. Elle permet d'éroder le matériau au moyen d'un arc électrique généré entre un fil conducteur servant d'outil, et la pièce à usiner disposée dans un bain de lubrifiant; L'état de surface obtenu (d'une relativement faible rugosité), et qui dépend du matériau à usiner, mais aussi des conditions d'usinage, peut dans certains cas être compatible avec des applications de micro-technologie. Toutefois, il n'est pas possible d'usiner des matériaux isolants électriques comme le verre, la silice, etc. Et, de plus, on ne peut usiner précisément que des structures débouchantes (usinages traversant les plaquettes de part en part).
La technique de gravure plasma est l'approche classique de la micro-technique, où, à l'aide d'équipements de gravures plasma en général réactifs, dérivés de la technologie de la micro-électronique, on cherche à étendre les capacités d'usinage vers les fortes épaisseurs, avec un excellent contrôle de la géométrie et de l'état de surface. Cependant, au-delà de plusieurs centaines de micromètres il existe encore des limitations pour l'épaisseur maximale gravée, et, de par la conception, on ne peut usiner que des structure 2D (verticales, cas de gravures anisotropes), ou, au mieux, exploiter des effets secondaires des procédés pour usiner certains matériaux dans la troisième dimension (latérale, cas des gravures isotropes). De plus, cette technologie nécessite au moins une première étape de lithographie et l'utilisation d'équipements relativement coûteux.
Aucune des techniques décrites ci-dessus ne permet d'envisager le micro-usinage de véritables micro-reliefs à trois dimensions pour des applications diverses de micro-technologie, (dans la gamme de dimensions visées : par exemple entre quelques dizaines ou centaines de micromètres et quelques millimètres de profondeur usinée, avec une précision de l'ordre du micromètre).
Or, il serait souhaitable de pouvoir réaliser, dans ce domaine des micro-technologies, des structures "3D" usinées profondément (sur plusieurs dizaines à plusieurs centaines de micromètres), et qui présentent des variations de géométrie localisées (par exemple coudes et/ou plans inclinés, et/ou trous, et/ou perforations,...).
Il se pose donc le problème de réaliser des éléments d'un équipement, et de trouver un procédé correspondant, d'usinage et/ou de fabrication, de préférence collective (ou automatisée), de structures à trois dimensions, dans le domaine des microtechnologies.
Un autre problème est qu'il n'existe pas, actuellement, de véritable possibilités de microusinage 3D dans des matériaux cristallins ou vitreux, comme c'est le cas dans les matériaux ferreux (comme en mécanique classique). Aucun des équipements ou des procédés cités précédemment ne répond totalement à ce problème.
Exposé de l'invention
L'invention propose de résoudre ces problèmes;
L'objet de l'invention est en particulier un dispositif et un procédé associés à un type et à des formes d'outils permettant l'usinage de micro-reliefs ou de véritables structures à trois dimensions, de préférence non limitées à des géométrie rectilignes et continues.
L'invention a tout d'abord pour objet un dispositif d'usinage pour la réalisation de microreliefs dans un substrat, comportant - un outil cylindrique, présentant un axe de symétrie
cylindrique et une extrémité abrasive, - des moyens pour mettre l'outil cylindrique en
rotation autour de son axe, - des moyens pour déplacer, de façon relative, l'outil
par rapport au substrat, suivant un axe, différent de
l'axe de symétrie cylindrique, ou suivant deux ou
trois axes de l'espace non parallèles deux à deux et
non contenus dans un même plan.
On entend par déplacement relatif aussi bien le déplacement du substrat que le déplacement de l'outil.
L'outil peut avoir une forme en pointe, ou en demi-lune, ou tronconique ou avoir la forme d'un cylindre droit.
L'invention a également pour objet un procédé pour réaliser des micro-reliefs tridimensionnels dans un substrat, le substrat étant usiné à l'aide d'un dispositif d'usinage tel que ci-dessus, l'outil cylindrique présentant une extrémité abrasive de forme adaptée aux micro-reliefs à réaliser dans le substrat.
Le dispositif et le procédé selon l'invention permettent la réalisation de micro-reliefs tridimensionnels, même avant une éventuelle découpe de composants dans le substrat usine.
La possibilité d'usinage avant découpe est particulièrement avantageuse lors de la fabrication, en particulier si celle-ci est collective ou automatisée, de micro-reliefs "optiques" miniaturisés, assemblés ou non en microsystèmes. Les techniques classiques d'obtention de surfaces présentant des micro-reliefs usinés font appel à une succession d'étapes d'ébauche, de découpe, de rodage et de polissage qui nécessitent un nombre important de sous étapes de préparation des échantillons à traiter. De plus, l'enchaînement des étapes ne peut être considéré comme une technique véritablement collective, puisqu'au mieux on ne peut traiter les différents micro-composants que par barrettes qu'il faut rapporter sur un support pour réaliser une étape donnée. Or, dans certains cas, il est même nécessaire de traiter la fabrication des composants par plaquettes, de façon à rapporter en un bloc l'ensemble des composants sur un autre substrat contenant des éléments complémentaires du système ou du dispositif miniaturisé.
L'invention s'applique particulièrement bien à la réalisation de micro-reliefs en surface d'un substrat en un matériau cristallin ou vitreux, ou en silice ou en silicium, en particulier dans le cas d'un substrat dont l'épaisseur est faible devant le diamètre (c'est-à-dire dont le rapport épaisseur/diamètre est approximativement inférieur ou égal à 0,1).
Les dimensions verticales, ou profondeurs usinées, des microreliefs sont, par exemple, de l'ordre de quelques dizaines de micromètres (par exemple : 10um ou 20 um ou 50 pm) à quelques centaines de micromètres (par exemple : 200 um ou 400 um ou 600pu) ou à quelques millimètres, la précision pouvant par exemple être de l'ordre du micromètre.
Dans le cas particulier de la réalisation de composants pour des applications optiques, un microrelief peut être, par exemple, une structure de microprisme ou de micromiroir ou une microlentille dont l'état de surface requis après usinage est dit poli "optique" (de faible rugosité : environ 1 um PV ("Peak to Valley") ou 100 nm RMS (moyenne quadratique)). Cet état de surface peut être obtenu dans la même opération que l'usinage d'ébauche, ou dans une seconde étape de finition, associée à la première étape mais réalisée après elle.
L'invention concerne donc en particulier un procédé de fabrication collective (ou automatisé), qui permet d'usiner collectivement, dans un substrat ou une couche déposée sur un substrat, des microreliefs (par exemple des microprismes ou des micromiroirs) avec un état de surface poli "optique" (de faible rugosité), le polissage étant réalisé dans la même opération que l'usinage du composant ou de la structure, ou dans une seconde étape de finition associée à une première étape d'ébauche.
Cette qualité de surface sous-entend qualitativement une faible rugosité définie visuellement soit par un état de poli miroir qui permet une "bonne" réflexion de la lumière (avec un taux de pertes optiques relativement faible), soit par un état de transparence (relativement faible taux de pertes optiques par transmission).
Brève description des figures
De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels
- La figure 1 représente la mise en oeuvre d'un dispositif et d'un procédé de l'art antérieur.
- Les figures 2A à 2C représentent des étapes de mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention, ainsi qu'un dispositif selon l'invention.
- Les figures 3A à 3D représentent différents exemples de structures d'outils pour la réalisation de l'invention.
- Les figures 4A à 4C représentent différents exemples de profils réalisés selon l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation de l'invention
La figure 2A représente une plaquette 60 d'un matériau à usiner (par exemple : une plaquette de silicium ou d'un matériau cristallin ou d'un autre matériau vitreux).
Puis (figure 2B) la plaquette est fixée sur un film plastique autocollant 64, dont on peut choisir l'épaisseur et ajuster les propriétés d'adhérence de la colle par une insolation au rayonnement UV. L'ensemble est ensuite fixé sur un cadre métallique 66 qui permet les manipulations. Ce cadre est fixé sur une machine de découpe, par exemple par l'intermédiaire d'un support aspirant rectifié (par exemple par aspiration sur un support poreux rectifié).
Cette machine comporte en outre un outil cylindrique 68 dont l'extrémité 69 présente des propriétés abrasives. La forme de cette extrémité est adaptée aux motifs à réaliser dans la plaquette 60.
La machine comporte en outre des moyens, non représentés sur la figure, pour entraîner l'outil en rotation autour de son axe de symétrie cylindrique. Par ailleurs, la machine comporte également des moyens pour déplacer l'outil suivant une (X ou Y), deux ou trois directions X, Y, Z de l'espace, permettant ainsi de réaliser un usinage tridimensionnel de la plaquette 60 (on pourrait également associer ces moyens à la plaquette pour déplacer celle-ci).
Eventuellement, l'outil peut en outre être incliné suivant un angle O dans le plan YZ et/ou dans le plan XZ et/ou dans le plan XY.
Selon une variante, plusieurs dispositifs d'usinage sont mis en oeuvre, les moyens de déplacement des outils étant communs à ces différents dispositifs.
L'outil choisi ici présente une extrémité ayant la forme d'un cylindre droit, pour usiner par exemple des tranchées verticales 70, 72, 74.
Ce sont ensuite les paramètres de la machine qui sont ajustés (vitesse de rotation de l'outil, vitesse d'avance dans le matériau, profondeur d'usinage) en fonction du type d'outil utilisé (type de la matrice dans laquelle sont noyés les grains d'abrasif (diamant ou autre), granulométrie et densité de cet abrasif, ...).
Dans certains cas (surtout pour les matériaux les plus durs), on divise le procédé en deux étapes au moins - une première étape d'ébauche, suivie - d'au moins une étape de finition ou de polissage, en
général avec des grains d'abrasif plus fins.
Pour affiner l'état de surface et les défauts induits dans le matériau par l'usinage, il est possible d'utiliser un lubrifiant de coupe, mélangé à l'eau de refroidissement de l'outil ou distribué séparément. Sur la figure 5B, un conduit 76 permet d'amener un fluide de refroidissement de l'outil, par exemple de l'eau, avec ou sans lubrifiant.
Après cette étape, on obtient une structure usinée représentée en coupe sur la figure 2B. Les motifs gravés 73, 75, 77 peuvent en outre présenter par exemple une symétrie de révolution autour d'un axe BB' ou CC'.
Cette structure présente donc des motifs 73, 75, 77 tridimensionnels qu'il n'est pas possible d'obtenir simplement avec les techniques de l'art antérieur, en particulier sur des substrats en silicium ou en matériau cristallin ou vitreux.
Un autre exemple de structure pouvant être obtenue par un procédé selon l'invention est représenté en vue de dessus en figure 2C, avec une gravure 81 en forme de "S" successifs à la surface du substrat.
Une étape ultérieure de découpe selon les directions 80, 82, permet ensuite d'isoler des éléments individuels.
Les paramètres du procédé, qui dépendent de la machine, de la lame et des conditions opératoires sont déterminés spécifiquement pour chaque type d'application (dimensions des microreliefs) et selon la nature du matériau à usiner.
L'aspect observé (par microscope à fort grossissement) des flancs des motifs découpés ou usinés révèle des stries typiques d'un sciage ou d'un usinage à l'outil ou en lames diamantées, ces stries étant orientées dans la direction d'avance et de rotation de l'outil.
Le procédé décrit ci-dessus peut être adapté à d'autres formes de découpes et à d'autres matériaux. En particulier, les extrémités des outils peuvent présenter soit la forme de cylindres droits (figure 3A), par exemple pour usiner des tranchées verticales (figure 4A), soit la forme de cône, tronqué ou pas (figures 3B et 3C), avec un angle prédéfini pour usiner des tranchées inclinées dont le profil est illustré en figure 4B. Une autre forme possible est celle d'une sphère (figure 3D), par exemple pour obtenir des tranchées à bord arrondi dont le profil est illustré en figure 4C.
Typiquement, l'outil a un diamètre + de l'ordre de quelques millimètres (par exemple + est compris entre 1 ou 2 mm et 4 ou 5 mm), son extrémité 69 ayant une longueur L et un diamètre d compris chacun entre quelques dizaines et quelques centaines de um par exemple entre 10 um ou 20 um ou 30 um et 100 um ou 200 um ou 300 um ou 500 um.
Une variante du procédé décrit ci-dessus consiste à réaliser une ébauche, comme décrit précédemment et, à fin de finition (ou de polissage), à utiliser un outil, ou meule, sans grains d'abrasifs liés dans la matrice, mais en utilisant cet outil comme vecteur d'un abrasif de polissage séparé et réparti le long du trait d'ébauche. Dans ce cas, l'outil sans matrice diamantée fait office de support de polissage en entraînant par sa rotation les grains d'abrasif sur chacun de ses flancs. La largeur de la lame est ajustée en fonction de la largeur du trait d'ébauche et de la granulométrie de l'abrasif utilisé (le diamètre de l'outil de finition est choisi plus faible que la largeur du trait d'ébauche).
L'abrasif peut être distribué, soit le long du trait d'ébauche, par projection à la place de l'eau de refroidissement de la lame, sous forme d'une solution liquide, soit recouvrir par exemple la plaquette ébauchée sous forme d'un liquide, d'un gel ou d'une pâte plus compacte. La nature de cet abrasif (suspensions colloïdales, alumine, oxyde de cérium, diamant, carbures de silicium ou de bore, ...), dépend de la dureté et de l'état de surface requis pour une application donnée et un type de matériau à usiner.
Une seconde variante du procédé peut être mise en oeuvre après la première étape d'usinage d'ébauche, et à la place ou en complément de l'étape de finition de la surface, en procédant (pour réduire l'écrouissage ou la rugosité) à une attaque chimique superficielle ou à un dépôt planarisant (par exemple : une couche métallique ou une multicouche diélectrique), en fonction des caractéristiques technologiques et des spécifications du dispositif.

Claims (12)

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'usinage pour la réalisation de micro-reliefs dans un substrat, caractérisé en ce qu'il comporte - un outil cylindrique (68), présentant un axe de
symétrie cylindrique et une extrémité abrasive (69), - des moyens pour mettre l'outil cylindrique en
rotation autour de son axe, - des moyens pour déplacer de façon relative l'outil
par rapport au substrat suivant au moins un axe.
2. Dispositif d'usinage pour la réalisation de micro-reliefs dans un substrat, caractérisé en ce qu'il comporte - un outil cylindrique (68), présentant un axe de
symétrie cylindrique et une extrémité abrasive (69), - des moyens pour mettre l'outil cylindrique en
rotation autour de son axe, - des moyens pour déplacer de façon relative l'outil
par rapport au substrat suivant deux ou trois axes de
l'espace (X, Y, Z) non parallèles deux à deux et non
contenus dans un même plan.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour incliner l'axe de symétrie cylindrique dans au moins un plan défini par deux des trois axes de l'espace (Y, Z) suivant lesquels l'outil peut être déplacé.
4. Procédé pour réaliser des micro-reliefs tridimensionnels dans un substrat (60), caractérisé en ce que le substrat est usiné à l'aide d'au moins un dispositif d'usinage comportant - un outil cylindrique (68), présentant un axe de
symétrie cylindrique et une extrémité abrasive (69),
de forme adaptée aux microreliefs à réaliser dans le
substrat, - des moyens pour mettre l'outil cylindrique en
rotation autour de son axe, - des moyens pour déplacer de façon relative l'outil
par rapport au substrat suivant au moins un axe.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre plusieurs dispositifs d'usinage, les moyens de déplacement de ces dispositifs étant communs.
6. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le substrat est en silicium ou en un matériau cristallin ou vitreux.
7. Procédé selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte, après usinage du substrat, une étape de découpe de composants dans celui-ci.
8. Procédé selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que l'étape d'usinage comporte en outre une étape pour obtenir une qualité optique du micro-relief.
9. Procédé selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que l'étape d'usinage comporte le passage d'un outil sans grain d'abrasif dans sa matrice, cet outil étant utilisé comme vecteur d'un abrasif de polissage séparé et réparti le long des micro-reliefs.
10. Procédé selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que l'étape d'usinage comporte en outre une attaque chimique superficielle du substrat (60).
11. Procédé selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que l'étape d'usinage comporte en outre la formation d'un dépôt planarisant sur le substrat (60).
12. Procédé selon l'une des revendications 4 à 11, caractérisé en ce que l'outil a une forme en pointe, ou en demi-lune, ou tronconique ou a la forme d'un cylindre droit.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3749625A (en) * 1971-08-12 1973-07-31 Gen Motors Corp Machining process
DE2826110A1 (de) * 1977-06-17 1978-12-21 Hitachi Ltd Verfahren zur zerspaltung einer halbleiter-wafer in halbleiter-pellets

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