WO2002091556A1 - Actionneur electrostatique - Google Patents

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WO2002091556A1
WO2002091556A1 PCT/FR2002/001574 FR0201574W WO02091556A1 WO 2002091556 A1 WO2002091556 A1 WO 2002091556A1 FR 0201574 W FR0201574 W FR 0201574W WO 02091556 A1 WO02091556 A1 WO 02091556A1
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WO
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wafer
layer
silicon
blades
underside
Prior art date
Application number
PCT/FR2002/001574
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English (en)
Inventor
Amalia Garnier
Roberto Gemi
Xavier Le Goaer
François Valentin
Laurent Duraffourg
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Phs Mems
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B81B3/0021—Transducers for transforming electrical into mechanical energy or vice versa
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/002—Electrostatic motors
    • H02N1/006—Electrostatic motors of the gap-closing type
    • H02N1/008—Laterally driven motors, e.g. of the comb-drive type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/03—Microengines and actuators
    • B81B2201/033—Comb drives
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/04—Optical MEMS
    • B81B2201/045—Optical switches
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0118—Cantilevers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/05—Type of movement
    • B81B2203/058—Rotation out of a plane parallel to the substrate

Definitions

  • the present invention relates to the field of electromechanical actuators making it possible to obtain very rapid movements of miniaturized mechanical parts, for example to serve as RF electrical switches or optical deflectors for laser beams. Such deflectors can be used for the production of optical routers.
  • An electrostatic actuator comprising a movable part constituted by blades parallel to each other in the form of a comb, interdigitated with a group of fixed parallel blades also in the form of a comb, is described for example in French patent application 008420 filed by the Applicant on June 29, 2000.
  • the blades are made in the thickness of a silicon wafer.
  • the application of a voltage variation on one of the sets of blades with respect to the other causes the displacement of the movable blades orthogonally to the plane of the main faces of the silicon wafer.
  • the present invention relates to a structure of this type which is particularly simple to produce, which is robust and which has a particularly rapid response time.
  • the present invention provides an electrostatic actuator made in part of a wafer of conductive material, comprising a comb of parallel movable blades of said conductive material extending from the upper face of the wafer, orthogonally thereto, and a comb of fixed blades of said conductive material interposed with the movable comb and extending from the face lower edge.
  • This actuator comprises a set of conductive fingers extending parallel to each other and parallel to the main faces of the wafer, fixed on one side to an area isolated from the upper surface of the wafer, carrying on the side of their other end the movable blades, and comprising a flexible intermediate part forming a leaf spring.
  • the fixed and mobile blades have intermediate heights between the thickness of the wafer and half of said thickness.
  • said conductive material is doped monocrystalline silicon.
  • the conductive fingers are made of nickel.
  • the height of the movable blades from the upper face of the wafer and of the fixed blades from the lower face of the wafer is of the order of two thirds of the thickness of the slice.
  • the fixed and movable blades are formed from two layers of silicon separated by an insulating layer, the assembly of these two layers being joined to a first insulating plate on the side of the conductive fingers, the fixed blades being made up of the set of two layers of silicon and the movable fingers of the upper layer of silicon.
  • the present invention also provides a method of manufacturing an electrostatic actuator of the aforementioned type comprising the steps of forming on the upper face of a wafer of conductive material a metal layer, comprising fingers integral with a support part formed on a an insulating layer resting on said wafer, and a layer masking at the locations where it is desired that this upper face is not engraved; forming on the side of the lower face of the wafer a first and a second mask, the set of these two masks defining openings at the locations where it is desired that the wafer be completely engraved, the first mask defining zones where it is desired that the wafer is partially engraved and the second mask defining zones where one wishes that the underside of the wafer is not engraved; perform a first vertical anisotropic etching from the underside, this first etching being masked by the first and second masks and extending over more than half the thickness of the wafer; eliminate the first mask and carry out a second vertical anisotropic etching from the underside, this second
  • the method comprises the following steps: forming on the upper face of a set of two layers of silicon separated by an insulating layer a metal layer comprising conductive fingers integral with a formed support part on said face, attach the double layer of silicon, on the side of the conductive fingers to an insulating plate and level the underside of the lower layer of silicon; form on the side of the lower face of the leveled layer a first and a second mask, all of these two masks defining openings at the locations where it is desired that the two layers are completely engraved, the first mask defining areas where it is desired that the only second layer be etched and the second mask defining areas where it is desired that the underside of the wafer is not etched; perform a first vertical anisotropic etching from the underside to the intermediate insulating layer; eliminate the first mask and the visible parts of the insulating layer and carry out a second vertical anisotropic etching from the underside, this second etching extending until completely crossing the wafer.
  • FIG. 1 represents a view from above an electrostatic actuator according to the present invention
  • Figure 2 shows a sectional view along the line
  • FIGS. 4A to 4C are sectional views taken in the same direction as FIG. 2 and illustrate successive stages in the manufacture of a device according to the first embodiment of the present invention
  • FIGS. 5A to 5D are sectional views taken in the same plane as FIG. 3 and illustrate successive stages in the production of a device according to the first embodiment of the present invention, the stages in FIGS. 5A to 5C corresponding to steps of FIGS.
  • FIGS. 8A to 8C are section views taken in the same direction as FIG. 6 and illustrate successive stages in the manufacture of a device according to the second embodiment of the present invention
  • Figure 9 is a sectional view taken in the same plane as Figure 7 and illustrates a step of making a device according to the second embodiment of the present invention, corresponding to the step of Figure 8C.
  • the various figures are not drawn to scale to facilitate representation.
  • a first embodiment of an electrostatic actuator according to the present invention is shown schematically in top view in Figure 1, in sectional view along the line II-II of Figure 1 in Figure 2, and in view in section along line III-III of Figure 1 in Figure 3.
  • the electrostatic actuator according to the first embodiment of the invention is produced in a portion 1 of a silicon wafer. It will be noted that a network of similar devices can be produced in the same section in which other electromechanical or electronic components can also be produced.
  • a fixed comb 2 consists of vertical semiconductor strips (orthogonal to the plane of the wafer) which are integral with the body of the wafer and extend upwards from the bottom of the wafer over a height less than the total thickness of the slice.
  • a movable comb consists of silicon blades 3 interdigitated with the silicon blades 2. Each blade 3 of the movable comb is fixed by its upper edge to a finger 4 of a conductive material.
  • Each of the fingers 4 consists of a portion of a metal layer comprising a support part resting on the upper surface of the wafer.
  • the blades 3 extend from the side of one end of each finger 4 from a zone 6 of each intermediate metal finger between the support part 5 and the finger 4.
  • the intermediate zone 6 serves as a suspension and forms a spring reminder.
  • Connection bars 7 optionally connect the fingers to each other at the intermediate zone 6 to improve the mechanical connection and the distribution of the electrical potential.
  • the support part 5 is isolated from the substrate 1 by an insulating layer 8.
  • An electrical connection is connected to each movable comb, preferably at the level of the support part 5.
  • An electrical contact is integral with the substrate 1 and the fixed comb 2, for example on the side of the upper face of the device.
  • the lower part of the strip 9 can be coated with a material increasing its reflective power, for example a layer of gold. It is understood that, if a large number of devices according to the present invention are formed on the same silicon wafer and are arranged in a network, they can be used to divert towards one or the other of a set of receivers one or the other of a set of laser beams, thus constituting an optical router.
  • FIGS 1 to 3 are extremely schematic.
  • a device can be made according to the present invention in a silicon wafer with a thickness of 300 ⁇ m.
  • Each blade of the movable comb may have a height of 200 ⁇ m, a thickness of 5 ⁇ m and a length of 400 ⁇ m.
  • the blades of the fixed part may have identical dimensions, the distance between a fixed blade and a movable blade being of the order of 5 ⁇ m.
  • the support part 5 of the metal part forming the fingers may have a length of 80 ⁇ m and the intermediate part 6 a length of 80 ⁇ m.
  • the oxide layer 8 will for example have a thickness of 2 to 3 ⁇ m.
  • the extension 9 of one of the teeth 3 forming a mirror may not extend over the entire length of the movable tooth but may, for example, have a length of 200 ⁇ m and a height of 100 to 200 ⁇ m.
  • a voltage pulse of the order of 50 V can give a displacement of the end part of a movable blade of the order of 100 ⁇ m, which corresponds to an effective and sufficient projection to reflect a beam. laser with a spot diameter less than 100 ⁇ m.
  • the material of the metal layer 4, 5, 6 may be any conductive material which can be deposited on the silicon, which adheres well to the silicon and the silicon oxide, which can be etched in a simple manner, which can serve as a silicon etching mask. , and which can constitute a leaf spring.
  • FIGS. 1, 2 and 3 We could for example use a layer of nickel with a thickness of 1 to 2 ⁇ m, a layer of chromium, a layer of tungsten, or any combination of layers, the first of which adheres well to the semiconductor, and the one or the following of which have a high value elastic limit.
  • the applicant proposes a particularly simple method for producing the structure of FIGS. 1, 2 and 3. Steps of this method will be described in relation to FIGS. 4A to 4C and 5A to 5C which represent respectively sectional views along line II-II and along line III-III of Figure 1, during successive stages of manufacture.
  • a layer of a conductive material for example nickel
  • a layer of a conductive material for example nickel
  • This layer is etched in accordance with the outline shown diagrammatically in FIG. 1, that is to say comprising a support part 5, an intermediate part 6 and fingers 4.
  • the support part rests on an insulating layer, for example a layer of silicon oxide 8.
  • the layer of silicon oxide is also deposited on the side of the upper face at the locations where it is desired that, at the end of the process, the silicon wafer is not etched on the side of its upper face, that is to say essentially at the periphery of the device according to the present invention.
  • nickel can be selectively grown by electrolysis on a base conductive layer.
  • a first masking layer 11 and a second masking layer 12 are deposited on the side of the lower face. All of these two masking layers have openings at the locations where it is desired to dig right through the edge of silicon 1.
  • the second masking layer 12 covers the first masking layer 11 and is deposited directly on the underside at other locations. The second masking layer 12 can be selectively eliminated by leaving the first masking layer 11 in place.
  • the first masking layer 11 is placed at the locations where it is desired that, on the side of its underside, the silicon wafer is not engraved at the end of the process.
  • an anisotropic etching is carried out from the lower face, for example in the presence of a plasma.
  • the first recesses are hollowed out to a depth less than the total thickness of the wafer and preferably greater than the half-thickness of the wafer. For example, if the wafer has a thickness of around 300 ⁇ m, the first recesses may have a depth of around 200 ⁇ m.
  • the first recesses may have a depth of around 200 ⁇ m.
  • the masking layer 12 is eliminated and an anisotropic etching is carried out again from the lower surface of the wafer which is continued until it completely crosses the wafer. in areas where it has already been engraved.
  • the movable blades 3 which are separated from the fixed blades and which extend over part of the thickness of the wafer, greater than half the thickness of this wafer, for example over a height of 200 ⁇ m, are thus completely defined. if the wafer has a thickness of 300 ⁇ m, and which remain integral with the fingers 4.
  • the intermediate part 6 has also been released from the nickel plate.
  • an anisotropic vertical etching is carried out from the upper face of the wafer.
  • the height of the fingers not protected by the nickel layer 4 is thus reduced, and fixed fingers 2 of desired dimensions are thus obtained.
  • the device of the present invention is particularly sensitive and allows a particularly rapid response due to the suspension of the movable comb by the metal part 6.
  • the masking layers are preferably respectively the oxide layer 8 and the layer of nickel or other metal to which the blades of the movable comb 3 are hung.
  • the masking layer 11 may be an oxide layer and the masking layer 12 a nickel layer. Other combinations of selectively etchable layers may of course be chosen.
  • Figures 6 and 7 show sectional views of a second embodiment of the present invention in the same section planes as Figures 2 and 3, respectively.
  • fingers 4 made of a flexible and elastic conductive material to which the blades of a movable comb are attached.
  • the actuator is formed from a SOI (silicon on insulator) type substrate, comprising a first layer of silicon 20 and a second layer of silicon 21 separated by a thin insulating layer 22.
  • SOI silicon on insulator
  • the movable blades 26 consist of portions of the single upper semiconductor layer 21 which adheres to the movable fingers 4, and optionally of the insulating layer 22.
  • the fixed blades consist of portions of all of the layers 20, 21 and 22.
  • the layers 20 and 21 are relatively thin, with a thickness of the order of 40 to 80 ⁇ m, and the structure is mounted on an upper insulating plate 25 which adheres to the upper part of the layer 21 without adhering to the fingers 4 which, in the high position, are in contact or almost in contact with the insulating plate 25 and which come down under the effect of an applied voltage, as shown in dotted lines in FIG. 6.
  • the silicon is heavily doped to be conductive.
  • one of the movable fingers has a height corresponding to the entire height of the layers 20, 21 and 22, as was the case for finger 9 of the first embodiment.
  • the layer portions 20 of the fixed blades are set to a first potential, for example ground or 0 volts, and the portions 21 of the fixed blades are set to a second constant potential, for example 10 to 100 volts.
  • All of the conductive fingers can be connected to a potential of 0 or 10 to 100 volts. For a potential of 0 volts, the fingers will be in the high position and, for a potential of 10 to 100 volts, the entire movable comb will come in the low position.
  • top view of the second embodiment may be similar to those described in relation to the first embodiment.
  • this conductor must be isolated or not from the layer 21.
  • FIGS. 8A, 8B and 8C are sectional views of intermediate steps in the same plane as FIG. 7, and with FIG. 9 which is a sectional view of an intermediate step in the same plane as FIG. 6.
  • FIG. 8A we start from a structure of silicon on insulator type in which, on a plate of lower silicon 40 is deposited a thin insulating layer 22 and above which is formed a silicon layer 21.
  • this structure can be formed by joining two silicon plates and by polishing the upper face to obtain a layer 21 of selected thickness, for example 40 to 80 ⁇ m.
  • a layer of a conductive material for example nickel, is formed, this layer is etched in accordance with the outline shown schematically in Figure 1.
  • the conductive layer is preferably formed on an insulating layer.
  • the upper surface of the layer 21 is hollowed out according to the chosen contour of the conductive layer, the hollowed out surface is isolated and the recesses are filled with a conductive layer, for example by depositing a relatively thick layer and by mechanochemical polishing.
  • the structure shown in FIG. 8A is thus obtained (in which the insulation layer has not been shown).
  • the upper face of the structure, that in which the conductive fingers 4 are formed, is joined to an insulating plate 25, for example a glass slide.
  • the glass slide can be made to adhere by optical bonding to the upper silicon face. It is also possible to bond using an anode bond (application of a temperature of a few hundred degrees and a voltage of the order of 1000 V, the glass of the plate 25 being doped to be conductive). In both cases, the upper face of the metal layer 4 will not adhere to the upper plate 25.
  • an intermediate layer may be deposited first. releasing the surface of the metal layer 4 and thicker than the latter and the electrochemical bonding will be done on the intermediate layer.
  • an initial etching is carried out between fingers, the etching being stopped on the insulating layer 22.
  • the mask 52 is then eliminated and a second etching is carried out to arrive at the result illustrated in figure 7.
  • FIG. 9 represents a view in a plane perpendicular to that of FIG. 8C and corresponds to the step of FIG. 6.

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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

ACTIONNEUR ELECTROSTATIQUE
La présente invention concerne le domaine des action- neurs électromécaniques permettant l'obtention de déplacements très rapides de pièces mécaniques miniaturisées, par exemple pour servir de commutateurs électriques RF ou de déflecteurs optiques pour des faisceaux laser. De tels déflecteurs peuvent être utilisés pour la réalisation de routeurs optiques.
Un actionneur électrostatique comprenant une pièce mobile constituée de lames parallèles les unes aux autres en forme de peigne, interdigitées avec un groupe de lames parai- lèles fixes également en forme de peigne, est décrit par exemple dans la demande de brevet français 008420 déposée par la demanderesse le 29 juin 2000. Les lames sont réalisées dans l'épaisseur d'une tranche de silicium. L'application d'une variation de tension sur 1 'un des ensembles de lames par rapport à l'autre provoque le déplacement des lames mobiles orthogonale- ment 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 robuste 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, orthogonalement à celle-ci, et un peigne de lames fixes en ledit matériau conducteur intercalé avec le peigne mobile et s' étendant à partir de la face inférieure de la tranche. Cet actionneur comprend un ensemble de doigts conducteurs s 'étendant parallèlement les uns aux autres et parallèlement aux faces principales de la tranche, fixés d'un côté sur une zone isolée de la surface supérieure de la tranche, portant du côté de leur autre extrémité les lames mobiles, et comprenant une partie intermédiaire souple formant lame de ressort. Les lames fixes et mobiles ont des hauteurs intermédiaires entre l'épaisseur de la tranche et la moitié de ladite épaisseur.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit matériau conducteur est du silicium monocristallin dopé.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les doigts conducteurs sont en nickel.
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.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les lames fixes et mobiles sont formées à partir de deux couches de silicium séparées par une couche isolante, l'ensemble de ces deux couches étant accolé à une première plaque isolante du côté des doigts conducteurs, les lames fixes étant constituées de l'ensemble des deux couches de silicium et les doigts mobiles de la couche de silicium supérieure. La présente invention prévoit aussi un procédé de fabrication d'un actionneur électrostatique du type susmentionné 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 où l'on souhaite que cette face supérieure ne soit pas gravée ; former du côté de la face infé- - rieure de la tranche un premier et un deuxième masque, l'ensemble de ces deux masques définissant des ouvertures aux emplace- ments où l'on souhaite que la tranche soit complètement gravée, le premier masque définissant des zones où l'on souhaite que la tranche soit partiellement gravée et le deuxième masque définissant des zones où 1 'on souhaite que la face inférieure de la tranche ne soit pas gravée ; effectuer une première gravure ani- sotrope 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 1 ' 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 où elle a déjà été gravée ; et effectuer une gravure anisotrope verticale à partir de la face supérieure de la tranche 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.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le procédé comprend les étapes suivantes : former sur la face supérieure d'un ensemble de deux couches de silicium séparées par une couche isolante une couche métallique comportant des doigts conducteurs solidaires d'une partie support formée sur ladite face, accoler la double couche du silicium, du côté des doigts conducteurs à une plaque isolante et araser la face inférieure de la couche de silicium inférieure ; former du côté de la face inférieure de la couche arasée un premier et un deuxième masque, l'ensemble de ces deux masques définissant des ouvertures aux emplacements où l'on souhaite que les deux couches soient complètement gravées, le premier masque définissant des zones où l'on souhaite que la seule deuxième couche soit gravée et le deuxième masque définissant des zones où 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 jusqu'à la couche isolante intermédiaire ; éliminer le premier masque et les parties apparentes de la couche isolante et effectuer une deuxième gravure aniso- trope verticale à partir de la face inférieure, cette deuxième gravure se prolongeant jusqu'à traverser complètement la tranche .
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres 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 actionneur électrostatique selon la présente invention ; la figure 2 représente une vue en coupe selon la ligne
II-II de la figure 1 d'un premier mode de réalisation de la présente invention ; la figure 3 représente une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 1 du premier mode de réalisation de la présente invention ; 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 d'un dispositif selon le premier mode de réalisation de la présente invention ; 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 le premier mode de réalisation de la présente invention, les étapes des figures 5A à 5C correspondant aux étapes des figures 4A à 4C ; la figure 6 représente une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1 d'un deuxième mode de réalisation de la présente invention ; la figure 7 représente une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 1 du deuxième mode de réalisation de la présente invention ; les figures 8A à 8C sont des vues en coupe prises dans la même direction que la figure 6 et illustrent des étapes successives de fabrication d'un dispositif selon le deuxième mode de réalisation de la présente invention ; et la figure 9 est une vue en coupe prise dans le même plan que la figure 7 et illustre une étape de réalisation d'un dispositif selon le deuxième mode de réalisation de la présente invention, correspondant à l'étape de la figure 8C. Comme cela est classique dans le domaine de la représentation des microcomposants et des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à 1 ' échelle pour faciliter la représentation.
Un premier mode de réalisation d'un actionneur élec- trostatique selon la présente invention est représenté de façon schématique en vue de dessus en figure 1, en vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1 en figure 2, et en vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 1 en figure 3.
L' actionneur électrostatique selon le premier mode de réalisation de l'invention est réalisé dans une portion 1 d'une 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 (orthogonales 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 silicium 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 doigts 4 est constitué d'une portion d'une 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 de 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 d'un matériau accroissant son pouvoir réflecteur, par exemple une couche d'or. On conçoit que, si un grand nombre de dispositifs selon la présente invention sont formés sur la même tranche de silicium et sont disposés en réseau, ils peuvent servir à dévier vers l'un ou l'autre d'un ensemble de récepteurs l'un ou l'autre d'un ensemble de faisceaux 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 μm. Chaque lame du peigne mobile pourra avoir une hauteur de 200 μm, une épaisseur de 5 μm et une longueur de 400 μm. Les lames de la partie fixe pourront avoir des dimen- sions identiques, la distance entre une lame fixe et une lame mobile étant de l'ordre de 5 μm. La partie de support 5 de la pièce métallique formant les doigts pourra avoir une longueur de 80 μm et la partie intermédiaire 6 une longueur de 80 μm. La couche d'oxyde 8 aura par exemple une épaisseur de 2 à 3 μm. Le prolongement 9 de l'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 μm et une hauteur de 100 à 200 μm.
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 μm, ce qui correspond à une saillie efficace et suffisante pour réfléchir un faisceau laser ayant un diamètre de spot inférieur à 100 μm.
Bien que l'on ait mentionné une tranche de silicium, • on pourra utiliser tout matériau conducteur. Le silicium est actuellement préféré car de nombreux procédés de traitement, de gravure et de dépôt de couches isolantes et conductrices ont été développés 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 façon 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 μm, une couche de chrome, une couche de tungstène, ou toute combinaison de couches dont la première adhère bien sur le semiconducteur, 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 réalisation 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 5A 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 schémati- quement en figure 1, c'est-à-dire comportant une partie support 5, une partie intermédiaire 6 et des doigts 4. La partie support repose sur une couche isolante, par exemple une couche d'oxyde de silicium 8. La couche d'oxyde de silicium est également déposée du côté de la face supérieure aux emplacements où l'on veut que, à la fin du processus, la tranche de silicium ne soit pas gravée 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 électrolyse 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 ouvertures aux emplacements où l'on veut creuser de part en part la tranche de silicium 1. La deuxième couche de masquage 12 recouvre la première couche de masquage 11 et est déposée directement sur la face inférieure en d'autres emplacements. La deuxième couche de masquage 12 peut être éliminée sélectivement en laissant en place la première couche de masquage 11. La première couche de masquage 11 est disposée aux emplacements où l'on veut que, du côté de sa face inférieure, la tranche de silicium ne soit pas gravée en fin de processus. A l'étape illustrée en figures 4B et 5B, 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 où les couches de masquage 11 et 12 sont absentes, des premiers evidements 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 μm, les premiers evidements pourront avoir une profondeur de l'ordre de 200 μm. On forme ainsi, comme l'illustre la figure 5B, une partie des evidements séparant les doigts fixes des doigts mobiles.
A l'étape illustrée en figures 4C et 5C, on élimine la couche de masquage 12 et l'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 où celle-ci a déjà été gravée. On définit ainsi complètement les lames mobiles 3 qui sont séparées des lames fixes et qui s'étendent sur une partie de l'épaisseur de la tranche, supérieure à la moitié de l'épaisseur de cette tranche, par exemple sur une hauteur de 200 μm si la tranche a une épaisseur de 300 μm, et qui restent solidaires des doigts 4. On a également dégagé la partie intermédiaire 6 de la plaque de nickel .
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 particulièrement sensible et permet une réponse particulièrement rapide du fait de la suspension du peigne mobile par la partie métallique 6.
De façon connue de l'homme de l'art, il existe des machines d'auto-alignement face avant, face arrière qui permet- tent d'aligner les motifs de masque sur ces deux faces avec des précisions meilleures que 1 μm.
Comme on l'a mentionné précédemment, du côté de la face supérieure, les couches de masquage sont de préférence respectivement 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 être une couche d'oxyde et la couche de masquage 12 une couche de nickel. D'autres combinaisons de couches sélectivement gravables pourront bien entendu être choisies.
Les figures 6 et 7 représentent des vues en coupe d'un deuxième mode de réalisation de la présente invention dans les mêmes plans de coupe que les figures 2 et 3, respectivement. Comme dans le premier mode de réalisation de l'invention, on peut voir des doigts 4 en un matériau conducteur souple et élastique dont sont solidaires des lames d'un peigne mobile.
Dans ce deuxième mode de réalisation, l'actionneur est formé à partir d'un substrat de type SOI (silicium sur isolant) , comprenant une première couche de silicium 20 et une deuxième couche de silicium 21 séparées par une couche mince isolante 22. Les lames mobiles 26 sont constituées de portions de la seule couche semiconductrice supérieure 21 qui adhère aux doigts mobiles 4, et éventuellement de la couche isolante 22. Les lames fixes sont constituées de portions de l'ensemble des couches 20, 21 et 22.
De préférence, les couches 20 et 21 sont relativement minces, d'une épaisseur de l'ordre de 40 à 80 μm, et la structure est montée sur une plaque isolante supérieure 25 qui adhère à la partie supérieure de la couche 21 sans adhérer aux doigts 4 qui, en position haute, sont en contact ou en quasi contact avec la plaque isolante 25 et qui viennent s'abaisser sous l'effet d'une tension appliquée, comme cela est représenté en pointillés en figure 6.
Comme dans le cas du premier mode de réalisation, le silicium est fortement dopé pour être conducteur. On pourra prévoir que l'un des doigts mobiles a une hauteur correspondant à toute la hauteur des couches 20, 21 et 22, comme c'était le cas pour le doigt 9 du premier mode de réalisation.
Les portions de couche 20 des lames fixes sont mises à un premier potentiel, par exemple la masse ou 0 volt, et les portions 21 des lames fixes sont mises à un deuxième potentiel constant, par exemple 10 à 100 volts. L'ensemble des doigts conducteurs peut être relié à un potentiel de 0 ou 10 à 100 volts. Pour un potentiel de 0 volt, les doigts seront en position haute et, pour un potentiel de 10 à 100 volts, 1 ' ensemble du peigne mobile viendra en position basse .
Les dimensions en vue de dessus du deuxième mode de réalisation pourront être similaires à celles décrites en relation avec le premier mode de réalisation. Selon que les lames fixes sont solidaires ou non des parties de silicium 21 sur lesquelles repose le conducteur flexible 4, 5, 6, ce conducteur devra être isolé ou non de la couche 21.
Un mode de fabrication du deuxième mode de réalisation de la présente invention va être décrit à titre d'exemple en relation avec les figures 8A, 8B et 8C qui sont des vues en coupe d'étapes intermédiaires dans le même plan que la figure 7, et avec la figure 9 qui est une vue en coupe d'une étape intermédiaire dans le même plan que la figure 6. Comme l'illustre la figure 8A, on part d'une structure de type silicium sur isolant dans laquelle, sur une plaque de silicium inférieure 40 est déposée une couche mince isolante 22 et au-dessus de laquelle est formée une couche de silicium 21. Selon un mode de réalisation classique, cette structure peut être formée en accolant deux plaques de silicium et en polissant la face supérieure pour obtenir une couche 21 d'épaisseur choisie, par exemple 40 à 80 μm.
Du côté de la face supérieure de la couche de silicium 21, on forme une couche d'un matériau conducteur, par exemple du nickel, cette couche est gravée conformément au contour repré- sente schématiquement en figure 1. La couche conductrice est de préférence formée sur une couche isolante. Selon une variante de réalisation, on creuse la surface supérieure de la couche 21 selon le contour choisi de la couche conductrice, on isole la surface creusée et l'on remplit les evidements d'une couche conductrice, par exemple en déposant une couche relativement épaisse et en procédant à un polissage mécanochimique. On obtient ainsi la structure représentée en figure 8A (dans laquelle la couche d'isolement n'a pas été représentée) . A une étape suivante, illustrée en figure 8B, on accole la face supérieure de la structure, celle dans laquelle sont formées les doigts conducteurs 4, à une plaque isolante 25, par exemple une lame de verre. Dans le mode de réalisation représenté, la lame de verre peut être amenée à adhérer par collage optique sur la face supérieure de silicium. On peut également procéder à un collage par liaison anodique (application d'une température de quelques centaines de degrés et d'une tension de l'ordre de 1000 V, le verre de la plaque 25 étant dopé pour être conducteur) . Dans les deux cas, la face supê- rieure de la couche métallique 4 n'adhérera pas à la plaque supérieure 25. Selon une autre variante, dans le cas où les conducteurs 4 sont en relief, on pourra déposer d'abord une couche intermédiaire dégageant la surface de la couche métallique 4 et plus épaisse que celle-ci et le collage électro- chimique se fera sur la couche intermédiaire. Une fois ce collage effectué, on pourra procéder à un arasement de la face inférieure de la plaque 40 pour obtenir la couche de silicium 20 décrite en relation avec la figure 6, ayant par exemple une épaisseur de 40 à 80 μm. Ensuite, de façon analogue à ce qui a décrit en relation avec la figure 5B, on procède au dépôt d'un double masque 51, 52 du côté de la face inférieure pour dégager les divers doigts des peignes à former. On prévoit un masque simple aux emplacements où l'on voudra former les doigts mobiles et un masque double aux autres emplacements, aucun masque n'étant formé au niveau des parties intercalaires entre les doigts.
A l'étape illustrée en figure 8C, on procède à une première gravure entre doigts, l'arrêt de gravure se faisant sur la couche isolante 22. On élimine alors le masque 52 et l'on procède à une deuxième gravure pour arriver au résultat illustré en figure 7.
Selon un avantage de la présente invention, il n'est nécessaire de procéder à des gravures qu'à partir de la face inférieure et des arrêts de gravure nets peuvent être obtenus dans un premier temps sur la couche isolante intermédiaire 22, dans un deuxième temps sur la plaque de verre 25. Bien entendu, les diverses gravures seront effectuées par un procédé fortement anisotrope, par exemple le procédé connu sous l'acronyme DRIE de Deep Reactive Ionic Etching (gravure ionique réactive profonde) . La figure 9 représente une vue dans un plan perpendiculaire à celui de la figure 8C et correspond à l'étape de la figure 6.
Bien entendu, divers contours pourront être choisis pour l'ensemble des peignes mobiles. En outre, l'homme de l'art saura appliquer au deuxième mode de réalisation certaines au moins des variantes décrites en relation avec le premier mode de réalisation.

Claims

REVENDICATIONS
1. Actionneur électrostatique réalisé dans une partie d'une tranche de matériau conducteur (1) , comprenant un peigne de lames mobiles parallèles (3) en ledit matériau conducteur s 'étendant à partir de la face supérieure de la tranche, ortho- gonale ent 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 doigts conducteurs
(4) s 'étendant parallèlement les uns aux autres et parallèlement aux faces principales de la tranche, fixés d'un 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 les doigts conducteurs sont en nickel.
3. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau conducteur est du silicium monocristallin dopé.
4. Actionneur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la hauteur des lames mobiles (3) à partir de la face supérieure 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 1 'épaisseur de la tranche.
5. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lames fixes et mobiles sont formées à partir de deux couches de silicium (20, 21) séparées par une couche isolante
(22), l'ensemble de ces deux couches étant accolé à une première plaque isolante (25) du côté des doigts conducteurs, les lames fixes étant constitués de l'ensemble des deux couches de sili- cium et les doigts mobiles de la couche de silicium supérieure.
6. Procédé de fabrication d'un actionneur électrostatique selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : former sur la face supérieure d'une tranche de maté- riau conducteur une couche métallique, comportant des doigts (4) solidaires d'une partie support (5) formée sur une couche isolante (8) reposant sur ladite tranche, et une couche de masquage (8) aux emplacements où 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, l'ensemble de ces deux masques définissant des ouvertures aux emplacements où l'on souhaite que la tranche soit complètement gravée, le premier masque définissant des zones où l'on souhaite que la tranche soit partiellement gravée et le deuxième masque définissant des zones où 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 mas- quée par les premier et deuxième masques et s 'étendant sur plus de la moitié de 1 ' 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 où elle a déjà été gravée ; 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) .
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la première gravure s'étend sur sensiblement les deux tiers de l'épaisseur de la tranche.
8. Procédé de fabrication d'un actionneur électrostatique selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : former sur la face supérieure d'un ensemble de deux couches de silicium (21, 40) séparées par une couche isolante (22) une couche métallique comportant des doigts conducteurs (4) solidaires d'une partie support (5) formée sur ladite face, accoler la double couche du silicium, du côté des doigts conducteurs à une plaque isolante (25) et araser la face inférieure de la couche de silicium inférieure ; former du côté de la face inférieure de la couche arasée un premier et un deuxième masque, l'ensemble de ces deux masques définissant des ouvertures aux emplacements où l'on souhaite que les deux couches soient complètement gravées, le premier masque définissant des zones où l'on souhaite que la seule deuxième couche soit gravée et le deuxième masque définissant des zones où 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 jusqu'à la couche isolante intermédiaire ; éliminer le premier masque et les parties apparentes de la couche isolante (22) et effectuer une deuxième gravure anisotrope verticale à partir de la face inférieure, cette deuxième gravure se prolongeant jusqu'à traverser complètement la tranche.
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