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FR2824679A1 - Actionneur electrostatique - Google Patents

Actionneur electrostatique Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un actionneur électrostatique réalisé dans une partie d'une tranche de matériau conducteur (1), comprenant un peigne de lames mobiles parallèles (3) s'étendant orthogonalement à la face supérieure de la tranche, et un peigne de lames fixes (2) intercalé avec le peigne mobile et s'étendant à partir de la face inférieure de la tranche. Des doigts conducteurs (4) s'étendant parallèlement les uns aux autres et parallèlement aux faces principales de la tranche, sont fixés d'un côté (5) sur une zone isolée (8) de la surface supérieure de la tranche, portent du côté de leur autre extrémité les lames mobiles, et comprennent une partie intermédiaire souple (6) formant lame de ressort. Les lames fixes (2) et mobiles (3) ont des hauteurs intermédiaires entre l'épaisseur de la tranche et la moitié de ladite épaisseur.

Description

forme uniforme dans une direction ciraonférentielle.
ACTIONNEUR TCTROSTATIQUE
La présente invention concerne le domaine des action-
neurs électromécaniques permettant l'obtention de déplacements très rapides de pièces macaniques miniaturisées, par exemple pour servir de déflecteurs optiques pour des faisccaux laser. De tels déflecteurs peuvent être utilisés pour la réalisation de routeurs optiques. Un actionneur électrostatique comprenant une pièce mobile constituce de lames parallèles les unes aux autres en forme de peigne, interdigitées avec un groupe de lames parallèles lo fixes également en forme de peigne, est décrit par exemple dans la demande de brevet francais 008420 déposce par la demanderesse le 29 juin 2000. Les lames sont réalisces dans lépaisseur dune tranche de silicium. L' application d'une variation de tension sur l'un des ensembles de lames par rapport à l'autre provoque le déplacement des lames mobiles orthogonalement au plan des faces
principales de la tranche de silicium.
La présente invention vise une structure de ce type qui soit particulièrement simple à réaliser, qui soit roLuste et qui
présente un temps de réponse particulièrement rapide.
Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un actionneur électrostatique réalisé dans une partie d'une tranche de matériau conducteur, comprenant un peigne de lames mobiles parallèles en ledit matériau conducteur s'étendant à partir de la face supérieure de la tranche, orChogonalement à
celle-ci, et un peigne de lames fixes en ladit matériau conduc-
teur intercalé avec le peigne mobile et stétendant à partir de la face inférieure de la tranche. Cet actionneur ccmprend un ensemble de doigts conducteurs s'étendant parallèlement les uns aux autres et parallèlement aux faces principales de la tranche, fixés dun côté sur une zone isolée de la surface supérieure de la tranche, portant du côté de leur autre extrémité les lames mobiles, et lo comprenant une partie intermédiaire souple formant lame de
ressort. Les lames fixes et mobiles ont des hauteurs intermé-
diaires entre l'épaisseur de la tranche et la moitié de ladite épaisseur. Selon un mode de réalisation de la présente invention,
ladit matériau conducteur est du silicium monocristallin dopé.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
les doigts conducteurs sont en nickal.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la hauteur des lames mobiles à partir de la face supérieure de la tranche et des lames fixes à partir de la face inférieure de la
tranche est de l'ordre des deux tiers de l'épaisseur de la tranche.
La présente invention prévoit aussi un procédé de fabrication d'un actionneur électrostatique du type suementionné comprenant les étapes consistant à former sur la face supérieure d'une tranche de matériau conducteur une couche métallique, comportant des doigts solidaires d'une partie support formée sur une couche isolante reposant sur ladite tranche, et une couche de
masquage aux emplacements o l'on souhaite que cette face supé-
rieure ne soit pas gravée; former du côté de la face inférieure de la tranche un premier et un deuxième masque, l' ensemble de ces deux masques définissant des ouvertures aux emplacements o l'on souhaite que la tranche soit complètement gravée, le premier masque définissant des zones o l'on souhaite que la tranche soit partiellement gravoe et le deuxième masque définissant des zones o l'on souhaite que la face inférieure de la tranche ne soit pas gravée; effectuer une première gravure anisotrope verticale à partir de la face inférieure, cette première gravure étant masquée par les premier et deuxième masques et s'étendant sur plus de la moitié de l'épaisseur de la tranche; éliminer le premier masque et effectuer une deuxième gravure anisotrope verticale à partir de la face inférieure, cette deuxième gravure se prolongeant jusqu'à traverser complètement la tranche aux emplacements o elle a déjà été gravée; et effectuer une gravure anisotrope verticale à partir de la face supérieure de la tranche lo aux emplacements non protégés par la couche métallique et le
masque complémentaire.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la première gravure s'étend sur sensiblement les deux tiers de
l'épaisseur de la tranche.
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que diautres de la présente invention seront exposés en détail dans
la description suivante de modes de réalisation particuliers
faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 représente une vue de dessus d'un action neur électrostatique selon la présente invention; la figure 2 représente une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1; la figure 3 représente une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 1; les figures 4A à 4C sont des vues en coupe prises dans la même direction que la figure 2 et illustrent des étapes successives de fabrication dun dispositif selon la présente invention; et les figures 5A à 5D sont des vues en coupe prises dans le même plan que la figure 3 et illustrent des étapes successives de réalisation d'un dispositif selon la présente invention, les étapes des figures 5A à 5C correspondant aux étapes des figures
4A à 4C.
Comme cela est classique dans le domaine de la repré sentation des microcomposants et des circuits intagrés, les diverses figures ne sont pas tracces à ltéchelle pour faciliter
la représentation.
Un mode de réalisation d'un actionneur électrostatique selon la présente invention est représenté de fac,on schématique en w e de dessus en figure 1, en w e en coupe selon la ligne II II de la figure 1 en figure 2, et en vue en coupe selon la ligne
IIT-III de la figure 1 en figure 3.
L'actionneur électrostatique selon linvention est réalisé dans une portion 1 dune tranche de silicium. On notera qu'un réseau de dispositifs similaires peut être réalisé dans une même tranche dans laquelle pourront également être réalisés d'autres composants électromécaniques ou électroniques. Un peigne fixe 2 est constitué de lames semiconductrices verticales (orChogonales au plan de la tranche) qui sont solidaires du corps de la tranche et s'étendent vers le haut à partir du fond de la tranche sur une hauteur inférieure à l'épaisseur totale de la tranche. Un peigne mobile est constitué de lames de silicTum 3 interdigitées avec les lames de silicium 2. Chaque lame 3 du peigne mobile est fixée par sa tranche supérieure à un doigt 4 d'un matériau conducteur. Chacun des doigUs 4 est constitué d'une portion dune couche métallique comportant une partie de support reposant sur la surface supérieure de la tranche. Les lames 3 s'étendent du côté d'une extrémité de chaque doigt 4 à partir d'une zone 6 de chaque doigt métallique intermédiaire entre la partie de support 5 et le doigt 4. La zone intermédiaire 6 sert de suspension et forme ressort de rappel. Des barres de liaison 7 relient éventuellement les doigts les uns aux autres au niveau de la zone intermédiaire 6 pour améliorer la liaison mécanique et la répartition du potentiel électrique. La partie de support 5 est
isolée du substrat 1 par une couche isolante 8.
Une connexion électrique non représentée est reliée à chaque peigne mobile, de préférence au niveau de la partie support 5. Un contact électrique non représenté est solidaire du substrat 1 et du peigne fixe 2, par exemple du côté de la face supérieure du dispositif. Ainsi, quand une variation de potentiel est appliquée au peigne mobile par rapport au substrat 1, l' ensemble des lames 3 du peigne mobile est amené à fléchir vers le bas, comme cela est représenté en pointillés en figure 2. En outre, comme on le voit dans la vue en coupe de la figure 3, l'une des lames mobiles, désignée par la référence 9, est plus longue que les autres, de sorte que, quand le peigne mobile est amené à fléchir, la lame 9 fait saillie vers le bas. Cette lame 9 en silicium constitue un miroir et peut servir à défléchir un faisceau laser. La partie inférieure de la lame 9 peut être revêtue dun matériau accroissant son pouvoir réflecteur, par exemple une couche d'or. On concoit que, si un grand nombre de di spos it i f s selon la présente invent ion sont formés sur la même tranche de silicium et sont disposés en réseau, ils peuvent servir à dévier vers l'un ou l'autre dun ensemble de récepteurs l'un ou l'autre d'un ensemble de faisccaux laser, constituant
ainsi un routeur optique.
Les figures 1 à 3 sont extrêmement schématiques. A titre d'exemple dimensionnel, on pourra réaliser un dispositif selon la présente invention dans une tranche de silicium d'une épaisseur de 300 m. Chaque lame du peigne mobile pourra avoir une hauteur de 200 m, une épaisseur de 5 m et une longueur de 400 m. Les lames de la partie fixe pourront avoir des dimensions identiques, la distance entre une lame fixe et une lame mobile étant de l'ordre de 5 m. La partie de support 5 de la pièce métallique formant les doigts pourra avoir une longueur de 80 m et la partie intermédiaire 6 une longueur de 80 m. La couche
doxyde 8 aura par exemple une épaisseur de 2 à 3 m.
Le prolongement 9 de 1'une des dents 3 formant miroir pourra ne pas s'étendre sur toute la longueur de la dent mobile mais avoir par exemple une longueur de 200 m et une hauteur de
à 200 m.
Avec de telles dimensions, une impulsion de tension de l'ordre de 50 V pourra donner un déplacement de la partie extrême d'une lame mobile de l'ordre de 100 m, ce qui correspond à une saillie efficace et suffisante pour réfléchir un faisceau laser
ayant un diamètre de spot inférieur à 100 m.
Bien que l'on ait mentionné une tranche de silicium, on pourra utiliser tout matériau conducteur. Le silicium est actuel- lement préféré car de nombreux procédés de traitement, de gravure
et de dépôt de couches isolantes et conductrices ont été dévelop-
pés pour ce matériau dans le cadre de la microélectronique.
Le matériau de la couche métallique 4, 5, 6 pourra être tout matériau conducteur pouvant être déposé sur le silicium, adhérant bien au silicium et à l'oxyde de silicium, pouvant être gravé de facon simple, pouvant servir de masque de gravure de silicium, et pouvant constituer une lame de ressort. On pourra par exemple utiliser une couche de nickel d'une épaisseur de 1 à 2 m, une couche de chrome, une couche de tungstène, ou toute
combinaison de couches dont la première adhère bien sur le semi-
conducteur, et dont la ou les suivantes présentent une limite
élastique de forte valeur.
Selon un autre aspect de la présente invention, la
demanderesse propose un procédé particulièrement simple de réali-
sation de la structure des figures 1, 2 et 3. Des étapes de ce procédé seront décrites en relation avec les figures 4A à 4C et A à 5C qui représentent respectivement des vues en coupe selon la ligne II-II et selon la ligne III-III de la figure 1, lors
d'étapes successives de fabrication.
A une étape initiale illustrée en figures 4A et 5A, on dépose sur la face supérieure d'une tranche de silicium une couche d'un matériau conducteur, par exemple du nickel. Cette couche est gravée conformément au contour représenté schématique ment en figure 1, c'est-à-dire ccmportant une partie support 5, une partie intermédiaire 6 et des doigts 4. La partie support repose sur une couche isolante, par exemple une couche doxyde de silicium 8. La couche d'oxyde de silicium est également déposée du côté de la face supérieure aux emplacements o l'on veut que, à la fin du processus, la tranche de silicium ne soit pas gravoe du côté de sa face supérieure, c'est-à-dire essentiellement à la périphérie du dispositif selon la présente invention. A titre de variante, au lieu de partir d'une couche de nickel et de la
graver, on pourra faire croître sélectivement du nickel par élec-
trolyse sur une couche conductrice de base. Du côté de la face inférieure, on dépose une première
couche de masquage 11 et une deuxième couche de masquage 12.
L' ensemble de ces deux couches de masquage présente des ouver-
tures aux emplacements o lon veut creuser de part en part la tranche de silicium 1. La première couche de masquage 11 a été représentée sous forme dune simple couche et la deuxième couche
de masquage 12 a été représentée sous forme dune double couche.
Toutefois, il suffit que la première couche de masquage 11 puisse être élimince sélectivement en laissant en place la deuxième couche de masquage 12, comme on le verra ci-après. La deuxième couche de masquage 12 est disposée aux emplacements o l'on veut que, du côté de sa face inférieure, la tranche de silicium ne
soit pas gravoe en fin de processus.
A ltétape illustrée en figures 4B et 5s, on procède à une gravure anisotrope à partir de la face inférieure, par exemple en présence d'un plasma. On creuse ainsi, dans les zones o les couches de protection 11 et 12 sont absentes, des premiers évidements sur une profondeur inférieure à l'épaisseur totale de la tranche et de préférence supérieure à la demi-épaisseur de la tranche. Par exemple, si la tranche a une épaisseur de l'ordre de 300 m, les premiers évidements pourront avoir une profondeur de l'ordre de 200 m. On forme ainsi, comme l'illustre la figure 5B, une partie des évidements séparant les doigts fixes des doigUs mobiles. A l'étape illustrée en figures 4C et 5C, on élimine la couche de masquage 11 et 1'on procède, à nouveau à partir de la surface inférieure de la tranche, à une gravure anisotrope qui est poursuivie jusqu'à traverser complètement la tranche dans les zones o celle-ci a déjà été gravée. On définit ainsi complè tement les lames mobiles 3 qui sont séparces des lames fixes et
qui sétendent sur une partie de l'épaisseur de la tranche, supé-
rieure à la moitié de l'épaisseur de cette tranche, par exemple sur une hauteur de 200 m si la tranche a une épaisseur de 300 m, et qui restent solidaires des doigts 4. On a également dogagé la partie intermédiaire 6 de la plaque de nickal. A l'étape suivante, visible dans la vue en coupe de la figure 5D mais non visible dans le plan de coupe des figures 4A, 4B et 4C, on procède à une gravure anisotrope verticale à partir de la face supérieure de la tranche. On réduit ainsi la hauteur des doigts non protégés par la couche de nickel 4, et on obtient
ainsi des doigts fixes 2 de dimensions souhaitées.
Le dispositif de la présente invention est particuliè-
rement sensible et permet une réponse particulièrement rapide du fait de la suspension du peigne mobile par la partie métallique 6. De facon connue de l'homme de l'art, il existe des machines d'auto-alignement face avant, face arrière qui permet tent daligner les motifs de masque sur ces deux faces avec des
précisions meilleures que 1 m.
Ccmme on l'a mentionné précédemment, du côté de la face supérieure, les couches de masquage sont de préférence respecti vement la couche d'oxyde 8 et la couche de nickel ou autre métal à laquelle sont accrochées les lames du peigne mobile 3. Du côté de la face inférieure, la couche de masquage 11 peut étre une couche d'oxyde et la couche de masquage 12 une couche d'oxyde revêtue de nickel. Il pourrait aussi s'agir d'une simple couche de nickal, ou d'une couche de nitrure, ou de toute autre couche de masquage par rapport à laquelle la couche 11 peut être sélec tivement éliminée entre les étapes présentées en figures 4B et 5B
dune part, et en figures 4C et 5C d'autre part.

Claims (6)

REVENDICATIONS
1. Actionneur électrostatique réalisé dans une partie dune tranche de matériau conducteur (1), comprenant un peigne de
lames mobiles parallèles (3) en ledit matériau conducteur s'éten-
dant à partir de la face supérieure de la tranche, orthogonale ment à celle-ci, et un peigne de lames fixes en ledit matériau conducteur (2) intercalé avec le peigne mobile et s'étendant à partir de la face inférieure de la tranche, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de doigUs conducteurs (4) s'étendant parallèlement les uns aux autres et parallèlement aux faces principales de la tranche, fixés dun côté (5) sur une zone isolée (8) de la surface supérieure de la tranche, portant du côté de leur autre extrémité les lames mobiles, et comprenant une partie intermédiaire souple (6) formant lame de ressort, et en ce que les lames fixes (2) et mobiles (3) ont des hauteurs intermédiaires entre l'épaisseur de la tranche et la
moitié de ladite épaisseur.
2. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau conducteur est du silicium monocristallin dopé.
3. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en
ce que les doigts conducteurs sont en nickel.
4. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la hauteur des lames mobiles (3) à partir de la face supé rieure de la tranche et des lames fixes (2) à partir de la face inférieure de la tranche est de l'ordre des deux tiers de
l'épaisseur de la tranche.
5. Procédé de fabrication dun actionneur électrosta tique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: former sur la face supérieure dune tranche de matériau conducteur une couche métallique, comportant des doigts (4) soli daires dune partie support (5) formée sur une couche isolante (8) reposant sur ladite tranche, et une couche de masquage (8) aux emplacements o l'on souhaite que cette face supérieure ne soit pas gravée; former du côté de la face inférieure de la tranche un premier et un deuxième masque (11, 12), l' ensemble de ces deux masques définissant des ouvertures aux emplacements o 1'on sou- haite que la tranche soit complètement gravoe, le premier masque (11) définissant des zones o 1'on souhaite que la tranche soit partiellement gravée et le deuxième masque (12) définissant des zones o l'on souhaite que la face inférieure de la tranche ne soit pas gravée i effectuer une première gravure anisotrope verticale à partir de la face inférieure, cette première gravure étant mas quce par les premier et deuxième masques et s'étendant sur plus de la moitié de l'épaisseur de la tranche; éliminer le premier masque (11) et effectuer une deuxième gravure anisotrope verticale à partir de la face infé rieure, cette deuxième gravure se prolongeant jusqu'à traverser complètement la tranche aux emplacements o elle a déjà été gravoe; et effectuer une gravure anisotrope verticale à partir de la face supérieure de la tranche aux emplacements non protégés par la couche métallique (4, 5, 6) et le masque complémentaire (8).
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la première gravure s'étend sur sensiblement les deux tiers
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