Les microsystèmes électromécaniques (MEMS) sont devenus une technologie incontournable dans de nombreux secteurs et leur taille de marché ne cesse de croître. Les MEMS sont de petits dispositifs qui utilisent à la fois des pièces mécaniques et électroniques. Ces dispositifs existent depuis des décennies et sont devenus un secteur qui représente plusieurs milliards de dollars. L'une des caractéristiques des MEMS est qu'il ne s'agit pas d'un seul dispositif ou d'un seul produit ; le concept de MEMS est plutôt un éventail de techniques de fabrication et de processus de conception qui permettent de créer différents systèmes miniatures. Une autre caractéristique essentielle des MEMS est qu'il ne s'agit pas d'un produit prêt à l'emploi, mais qu'ils sont plutôt conçus et personnalisés en fonction de leur application prévue. Dans cet article, nous examinons comment différents MEMS sont créés à l'aide de ces processus.
Les MEMS sont une combinaison de composants électroniques et mécaniques qui, ensemble, permettent de créer un petit dispositif intégré doté d'une fonction spécifique. Les MEMS sont disponibles dans de nombreuses formes et tailles et peuvent contenir de nombreux matériaux et composants différents. Pour que ces systèmes soient considérés comme des « micro » systèmes, les différents composants des MEMS doivent être à l'échelle du micron. Toutefois, selon le nombre de composants assemblés pour créer un dispositif fonctionnel, la taille des dispositifs MEMS complets peut aller de quelques micromètres jusqu'à des dispositifs de taille millimétrique.
Bien qu'il existe de nombreux dispositifs spécifiques utilisant des MEMS, ils contiennent tous une combinaison de microstructures mécaniques, de microcapteurs, de microactionneurs et de microélectronique, tous intégrés dans des puces en silicium. Au sein de ces zones générales de composants, de nombreux composants spécifiques sont à l'origine d'un dispositif MEMS (notamment des leviers, des engrenages, des pistons et des moteurs) qui lui confèrent ses propriétés générales. Ces composants individuels sont fabriqués à partir de nombreux types de matériaux différents, selon la fonction prévue, et comprennent généralement les éléments suivants :
Grâce aux possibilités de combinaison des composants offertes par les MEMS, les dispositifs créés peuvent détecter, contrôler et actionner au niveau microscopique, tout en produisant des effets opérationnels au niveau macroscopique. Gardez à l'esprit que la sortie macro est la somme des micro-composants individuels travaillant ensemble pour exécuter des fonctions spécifiques. En raison du grand nombre de composants différents qui constituent un dispositif MEMS, le champ d'application des MEMS est vaste, mais comprend généralement différents types de capteurs, d'actionneurs et de transducteurs pour divers secteurs techniques et scientifiques.
Entre la large gamme de matériaux potentiels et le grand nombre de composants pouvant être intégrés dans un dispositif MEMS, il existe de nombreuses méthodes de fabrication possibles pour construire ces dispositifs. En général, les composants électroniques sont créés à l'aide de méthodes de traitement par lots de circuits intégrés, tandis que les pièces mécaniques sont fabriquées par des procédés de micro-usinage. Cependant, diverses techniques de fabrication avancées sont aujourd'hui disponibles grâce aux progrès réalisés dans l'outillage de procédé et les méthodes de microfabrication de haute précision, y compris des méthodes basées ou non sur la lithographie.
Les méthodes de micro-usinage utilisées pour créer des MEMS sont similaires aux méthodes d'usinage classiques car elles définissent des caractéristiques spécifiques dans un matériau. Il existe toutefois quelques différences entre les deux : le micro-usinage permet de fabriquer simultanément des milliers de caractéristiques identiques sur la même tranche, ainsi que de traiter de nombreuses tranches en même temps. L'autre différence principale est que les méthodes de micro-usinage peuvent créer des caractéristiques beaucoup plus petites dans les matériaux que les méthodes d'usinage conventionnelles - au moins un ordre de grandeur plus petit.
En ce qui concerne les outils de micro-usinage les plus courants et les plus basiques, plusieurs méthodes sont utilisées. Par exemple, l'épitaxie, la pulvérisation, l'évaporation, le dépôt chimique en phase vapeur et les méthodes de fabrication par centrifugation sont toutes utilisées pour déposer des couches minces de semiconducteurs, de métaux, d'isolants et de polymères.
D'autre part, des méthodes de lithographie sont employées pour imprimer des couches de polymères photosensibles sur les composants MEMS, afin qu'elles puissent être gravées à l'échelle microscopique pour créer des motifs et des caractéristiques spécifiques. En ce qui concerne le processus de gravure lui-même, des méthodes de gravure humide et sèche sont utilisées dans la production de dispositifs MEMS. La gravure sèche est plus populaire, avec la gravure électrochimique, la gravure au plasma, la gravure ionique réactive profonde et la gravure humide isotrope étant également utilisées pour éliminer sélectivement le matériau.
Il existe également un certain nombre de méthodes d'usinage avancées qui ne nécessitent pas de techniques de lithographie pour créer des caractéristiques, des motifs et des géométries spécifiques dans les différents matériaux et composants des MEMS. L'une de ces méthodes est l'usinage mécanique d'ultra-précision qui permet de fraiser le silicium et d'autres métaux pour leur donner des formes spécifiques avec des caractéristiques inférieures au micron. Il s'agit d'une méthode non lithographique importante, car elle permet de créer des formes, telles que des gravures sous-jacentes rétrogrades avec des parois latérales plates, qui ne sont pas possibles avec les méthodes lithographiques.
Une autre méthode d'usinage avancé est l'usinage au laser, qui peut être utilisé pour créer des puces en silicium, pour ablater de la matière sur des matériaux métalliques, céramiques et plastiques et/ou pour créer des trous dans ceux-ci. Par ailleurs, les méthodes d'usinage par ultrasons nécessitent des matériaux durs et fragiles tels que le verre, la céramique et le diamant, tout en utilisant des ondes ultrasonores, tandis que l'usinage par électro-décharge a recours à des décharges électriques pour éroder les petits morceaux de matériau, mais uniquement pour les matériaux conducteurs. Outre ces méthodes, il existe d'autres techniques avancées d'usinage et de retrait de matière moins utilisées qui permettent d'introduire de petites caractéristiques et de petits motifs, notamment l'impression par microcontact, la lithographie par nanoimpression et le gaufrage à chaud.
En plus des méthodes basées sur l'usinage, de nombreux autres procédés de fabrication avancés sont utilisés dans des scénarios spécifiques. Par exemple, des méthodes de collage anodique sont utilisées pour assembler des tranches de silicium à des substrats en verre, mais le collage direct du silicium est utilisé pour fusionner deux matériaux en silicium ensemble. Les procédés de dépôt sol-gel sont employés pour revêtir des composants MEMS avec des revêtements antireflets à gradient d'indice ou absorption optique. On peut également avoir recours à des méthodes de galvanoplastie pour créer des couches métalliques minces, notamment en or, en cuivre, en nickel et en nickel-fer.
Les MEMS sont un ensemble défini de dispositifs à l'échelle microscopique qui sont utilisés depuis de nombreuses années. Naturellement, comme pour toute technologie établie, il existe un certain nombre de processus de fabrication utilisés pour créer des dispositifs MEMS. Le champ d'application de la fabrication des MEMS est plus vaste que celui de beaucoup d'autres dispositifs de petit format, car de nombreux matériaux et composants différents entrent dans leur création et leur fonctionnement. Cette combinaison de différentes méthodes de fabrication a permis aux MEMS d'être utilisés dans une variété d'applications. Au fur et à mesure que les techniques de fabrication se perfectionnent et que leurs résolutions deviennent plus précises, des caractéristiques (et des composants) de plus en plus petits sont créés au sein des dispositifs MEMS.