Microfabrication avec le rayonnement synchrotron

Jusqu'à un passé récent, la très grande majorité des microcomposants ou des micro systèmes relevait des techniques de la micro électronique. Ils étaient réalisés en silicium et possédaient une géométrie planaire. Cela provient du fait que la lithographie optique, les résines photosensibles et l'usinage du silicium avaient été développés à cet effet. Il est évident que la troisième dimension manquante peut être un avantage décisif pour certaines applications qui échappent alors au monde de la lithographie traditionnelle. De nouvelles technologies ou des améliorations profondes de celles qui existaient sont ainsi apparues pour tenter de réaliser des micro structures où cette troisième dimension (la hauteur) pourrait être bien plus grande que les dimensions latérales habituelles. Un critère, non absolu, de classification de ces "grandes micro structures" est le rapport hauteur sur largeur d'une microstructure que l'on nomme rapport de forme (RF). S'il ne dépasse pas quelques unités pour la lithographie classique, il peut atteindre plusieurs dizaines avec ces nouvelles technologies. Tout en se méfiant des rapports d'échelle et des comparaisons, notre tour Eiffel ne présente qu'un RF de quatre.

Le LIGA est un acronyme allemand qui résume les trois grandes étapes du procédé: LI (Lithografie) pour lithographie par rayons X avec le rayonnement synchrotron, G (Galvanoformung) pour électrodéposition (ou électroformage, ou électrocroissance), A (Abformung) pour moulage.

Le procédé LIGA a vu le jour en Allemagne vers la fin des années 1970 au Forschungszentrum de Karlsruhe (FzK). Il s'y est développé comme une alternative à la fabrication de micro buses pour la séparation d'isotopes de l'uranium. La réalisation de ces pièces épaisses comportant des ouvertures micrométriques fut un succès et l'idée d'utiliser cette technologie pour d'autres champs d'application ne tarda pas. Toutefois, ce n'est vraiment qu'au début des années 90 que cette jeune technologie a pris son essor et s'est étendue de par le monde. Aujourd'hui, on peut dire que l'ensemble, ou presque, des centres de rayonnement synchrotron possède ou développe une activité de type LIGA.

Dans sa première étape, le procédé LIGA n'est qu'une extension des techniques de micro lithographie dans le sens où l'on transfert, sans réduction, l'image bidimensionnelle d'un masque dans une résine (un polymère) sensible aux radiations. La différence vient de ce qu'il s'agit à présent de résines épaisses (jusqu'au millimètre ou plus) déposées sur un substrat métallique et que cela a des conséquences. La source lumineuse n'est plus une lampe UV (comme en lithographie classique) pas plus qu'une source de rayonnement synchrotron X mous (comme c'est le cas en nanolithograhie), mais une source de rayonnement synchrotron à haut flux de rayons X durs émettant un rayonnement de quelques dixièmes de nanomètre. Du fait de l'extrême collimation naturelle d'un faisceau synchrotron, des tolérances dimensionnelles d'une fraction de micromètre sont possibles. Cette propriété est l'un des atouts essentiels du LIGA. Bien évidemment, la technologie des masques est aussi particulière.

La deuxième étape consiste à développer l'image latente transférée dans le volume de la résine par le biais d'une dissolution chimique sélective entre zones irradiées et vierges. Cette étape s'achève par l'électrodéposition d'un métal, dans le moule de polymère, qu'on laisse généralement déborder pour obtenir un contre moule métallique.

A ce stade, "un outil" a été crée à partir duquel on pourra reproduire "à l'infini" les microstructures qu'il contient, soit par emboutissage, soit par injection (d'un autre métal ou d'un polymère). Cette troisième étape du LIGA devrait être du ressort de l'industriel concerné par l'application qu'il désire commercialiser. La figure suivante représente schématiquement les étapes du LIGA.

De nombreuses variantes existent dès la deuxième étape du procédé. On voit déjà un autre intérêt du LIGA en ce qu'il donne accès à la réalisation, à moyenne ou grande échelle, de microstructures en polymères, en métaux ou alliages, voire en céramique.

Cet axe de Recherche et Développement a d’abord grandi au Laboratoire pour l’Utilisation du Rayonnement Electromagnétique (LURE, Orsay) depuis l’année 1992 jusqu’à l’arrêt définitif des machines (fin 2003) puis du centre en 2005. Il se poursuit actuellement au sein de l’UMR 137 CNRS-Thalès R&T pour ce qui concerne les étapes hors faisceau synchrotron. La lithographie par rayons-x s’effectue à présent sur ANKA (Karlsruhe, DE) en attendant de reprendre prochainement sur la nouvelle installation synchrotron « SOLEIL » à Saint Aubin.

Figure 1: Exemple de diverses applications du procédé LIGA