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MICRO-MIROIR OPTIQUE A PIVOT, MATRICE DE TELS MICRO-
MIROIRS ET PROCEDE DE REALISATION DUDIT MICRO-MIROIR
Domaine technigue
L'invention. concerne un micro-miroir optique â
pivot ainsi qu'une matrice de tels micro-miroirs et son
procédé de réalisation. Ce micro-miroir est apte à être
commandé électriquement.
Les micro-miroirs sont utilisés généralement
dans des systèmes mettant en jeu des déflexions de
faisceaux lumineux et en particulier dans les systèmes
de routage optique ou dans des systèmes de projection
d'images.
Etat de la technique
Les micro-miroirs à commandes électriques (le
plus souvent utilisant des forces électrostatiques,
électro-magnétiques, piézo-électriques ou thermo-
élastiques) capables de générer des positions
angulaires digitales ou analogiques sont connus dans la
littérature. Ils utilisent en général des
configurations à charnières permettant, suivant la
complexité des étapes technologiques mises en jeu,
d'osciller autour d'un axe (charniêre simple) ou de
deux axes de rotation (charnière double) orientés le
plus souvent de façon orthogonales.
La figure 1a montre une vue d'un tel micro-
miroir à commandes électrostatiques permettant une
rotation suivant 2 axes perpendiculaires, utilisé dans
des systèmes de routage optique. Sur le support 1 sont
réalisées . l'armature fixe 2 du micro-miroir et les
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parties mobiles 3 et 4 articulées respectivement autour
des charnières 5 et 6 qui permettent les rotations
souhaitées autour des 2 axes orthogonaux. Chaque axe de
rotation passe par une charnière distincte. La partie
mobile 4 est recouverte d'une couche de matériau de
haute réflectivité.
La figure lb donne une vue en coupe très
schématisée des différents éléments formant ce type de
micro-miroir (coupe suivant l'axe de la charnière 5).
Sur cette figure, on a représenté par àilleurs les
différentes électrodes de commandes 7, 8, 9 et 10 du
micro-miroir. Les électrodes 7 et 8 en regard,
permettent de faire tourner la partie mobile 3 autour
de la charnière 5, tandis que les électrodes 9 et 10 en
regard, permettent de faire tourner la partie mobile
autour de la charniêre 6.
La partie mobile des micro-miroirs à charnières
présente des degrés de liberté limités. En effet,
chaque charnière ne peut offrir qu'un axe de rotation à
la partie mobile, cet axe étant dans le plan de la
partie mobile~et passant par la charnière. Aussi, pour
augmenter les degrés de liberté de la partie mobile, il
est nécessaire de diviser la partie mobile en motifs
indépendants, situés dans un même plan et
respectivement articulable par une charnière, ce qui
complexifie la structure sans pour autant lui permettre
un grand nombre de degrés de liberté. Actuellement,
seuls des micro-miroirs à charnière double ont été
réalisés.
Les références cités en fin de description
donnent des exemples de micro-miroirs à charnière.
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Ext~osé de l'invention et brève description des figures
La présente invention a pour objet un micro-
miroir optique palliant aux inconvénients de l'art
antérieur et présentant une partie mobile ayant un
grand nombre d'axes de rotation tout en proposant un
procédé de fabrication d'un tel micro-miroir aisé à
mettre en oeuvre .
De façon plus précise, le micro-miroir de
l'invention comporte une partie fixe, une partie mobile
comprenant des moyens de réflexion, le micro-miroir
comportant en outre des moyens d'articulation reliant
la partie mobile à la partie fixe ; ce micro-miroir est
caractérisé en ce que les moyens d'articulations sont
formés par un pivot situé sous la partie mobile entre
cette dernière et la partie fixe et apte à permettre un
déplacement de la partie mobile selon des axes de
rotation contenus dans la partie mobile et passant par
l'axe du pivot.
Selon l'invention, un très grand nombre d'axes
de rotation pour la partie mobile est possible, puïsque
celle-ci peut pivoter autour du pivot et décrire dans
le cas d'une partie mobile circulaire, un cylindre. Les
axes de rotation de la partie mobile correspondent â
tous les rayons décrivant un demi-cercle de centre, le
pivot.
En général, le pivot est centré sous la partie
mobile mais on peut tout à fait envisager dans des
applications particulières, un pivot décentré sous la
partie mobile et\ou même une partie mobile d'épaisseur
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non homogêne permettant de favoriser certains axes de
rotations et\ou certains sens de rotations.
Le micro-miroir de l'invention comporte en
outre de façon avantageuse des moyens de commande
électrique du déplacement de la partie mobile selon
tout ou partie desdits axes de rotation.
Selon un mode de réalisation, les moyens de
commande électrique comprennent un jeu d'électrodes
dites inférieures disposées ,sur la partie fixe en
regard de la partie mobile et un jeu d'électrodes dites
supérieures disposées sur la partie mobile en regard
des électrodes infêrieures.
De préférence, le jeu d'électrodes inférieures
comporte au moins 2.n électrodes disposées en secteurs
autour de l'axe du pivot, n étant le nombre d'axes de
rotation que l'on choisit de faire prendre à la partie
mobile et le jeu d'électrodes supérieures comporte une
seule êlectrode disposée en regard au moins en partie
de chacune des 2.n électrodes inférieures.
Selon un autre mode, le jeu d'électrodes
supérieures comporte au moins 2.n électrodes disposées
en secteurs autour de l'axe du pivot, n étant le nombre
d'axes de rotation que l'on choisi de faire prendre à
la partie mobile et le jeu d'êlectrodes inférieures
comporte une seule électrode disposée en regard au
moins en partie de chacune des 2.n électrodes
supérieures.
On peut également envisager une combinaison de
ces deux modes.
Les moyens de commande électrique comporte en
outre des lignes de connexion et des prises de contact
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aux extrémités des lignes pour relier les électrodes
inférieures et supérieures à une électronique de
commande. Selon un premier mode de réalisation, les
lignes de connexion et les prises de contact sont
5 réalisées avantageusement sur la partie fixe en regard
de la partie mobile, le jeu d'électrodes supérieures
étant relié à une ou plusieurs de ces lignes par
l'intermédiaire du pivot et d'une ou plusieurs
électrodes disposées sous le pivot, sur la partie fixe.
Selon un autre mode de réalisation les lignes de
connexion sont réalisées par des trous métallisés à
travers la partie fixe, le jeu d'électrodes supérieures
étant relié à un ou plusieurs de ces trous métallisés
par l'intermédiaire du pivot et d'une ou plusieurs
électrodes disposées sous le pivot, sur la partie
fixe ; les prises de contact étant situées aux
extrémités de ces trous sur la face de la partie fixe,
opposée à celle portant les électrodes inférieures.
L'invention peut également utiliser des moyens
de commande électrique utilisant d'autres forces que
les forces électrostatiques et par exemple des forces
électro-magnétiques, ou piézo-électriques ou encore
thermo-élastiques. A titre d'exemple, la commande des
partie mobiles par des forces magnétiques (forces de
Laplace) nécessite alors des bobinages et des aimants
adaptés pour générer les champs magnétiques
nécessaires.
Selon un mode avantageux de l'invention
permettant d'avoir une grande excursion angulaire de la
partie mobile, la partie fixe comprend au moins une
cavité en regard d'au moins une zone de l'une des
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extrémités de la partie mobile, de forme et de
dimensions géométriques telles qu'elles permettent de
désolidariser les paramètres de dimensions de la partie
mobile et l'excursion angulaire 0A totale suivant le ou
les différents axes de rotation.
De façon avantageuse, cette cavité est
périphérique et est en regard d'une zone périphérique
de l'extrémité de la partie mobile.
Selon l'invention, les moyens réflecteurs
comportent une couche de matériau réflecteurs disposée
du coté de la partie mobile opposée à celle en regard
de la partie fixe.
Selon un mode préférê de l'invention, la partie
fixe est en silicium, la première couche est un oxyde
thermique de silicium, la deuxième couche est du
silicium mono-cristallin et le pivot est en silicium
mono-cristallin.
La réalisation du pivot avantageusement en
silicium mono-cristallin permet l'obtention d'un pivot
présentant des propriétés de solidité mêcanique.
Selon un mode particulier du micro-miroir de
l'invention, permettant notamment d'augmenter le nombre
de degré de liberté, celui-ci comporte sur la partie
fixe au moins deux parties mobiles superposées . la
première partie mobile est reliée à la partie fixe par
un premier pivot comportant un premier axe et la
deuxième partie mobile comportant des moyens
réflecteurs est reliée à la première partie mobile par
un deuxième pivot comportant un deuxième axe ; ce
micro-miroir comporte en outre des moyens de commande
aptes à déplacer 1,a première partie mobile autour de n1
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axes de rotation contenues dans cette première partie
et passant par le premier axe et à déplacer la deuxième
partie mobile, autour de n2 axes de rotation contenues
dans cette deuxième partie et passant par le deuxième
axe.
Le premier axe et le deuxième axe sont
généralement parallèles. Ils peuvent être identiques ou
différents. Les moyens de commande sont du même type
que ceux utilisés pour une seule partie mobile mais
doublé. Pour commander, la première partie mobile, il
faut donc d'une part au moins 2. n1 électrodes et
d'autre part au moins une ëlectrode disposées
respectivement sur les faces en regard de la partie
fixe et de la partie mobile (ou l'inverse) ; et pour
commander, la deuxième partie mobile, il faut donc
d'une part au moins 2. n2 électrodes et d'autre part au
moins une électrode disposée respectivement sur les
faces en regard de la première partie et de la deuxième
partie mobiles (ou l'inverse). Ce principe peut bien
sûr être généralisé à un nombre de parties mobiles
supérieures à 2, au moins la dernière .partie mobile
comportant des moyens réflecteurs.
Il est bien entendu que le pivot peut être
réalisé aussi bien par un motif homogène, qu'un motif
multi-éléments. Un motif multi-éléments peut
correspondre à une superposition de matériaux aussi
bien parallèlement à l'axe du pivot que
perpendiculairement à cet axe et permettant d'utiliser
des matériaux différents aptes à conférer, par leur
combinaison, des propriétés mécaniques (résistance
mécanique/élasticité ....) et/ou des propriétés
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électriques (conduction/isolation.....) impossibles à
obtenir avec un seul matériau.
Par exemple, on peut réaliser un pivot avec des
éléments conducteurs parallèles séparés par de
l'isolant ; ces éléments permettent de relier de façon
indépendantes plusieurs électrodes de la partie mobile
à des lignes de connexion indépendantes via
généralement des électrodes également indépendantes
disposées sur la partie fixe, sous ces éléments
conducteurs.
L 'invention concerne également une matrice de
micro-miroirs à pivots pouvant être commandés
indépendamment les uns des autres ainsi qu'un procédé
de fabrication d'un tel micro-miroir. Ce procédé permet
en particulier, la réalisation collective de micro-
0
miroirs et par exemple la réalisation d'une matrice de
micro-miroirs.
Selon l'invention, le terme de matrice inclus
la barrette qui est un cas particulier d'une matrice
dont les éléments sont disposés suivant un seul axe.
Le procédê de fabrication du micro-miroir de
l'invention comporte les étapes suivantes .
a) réalisation d'un empilement formé d'un support
mécanique destiné à former la partie fixe, d'une
couche de matériau sacrificielle appelé première
couche et d'un ensemble destiné â former la partie
mobile et comprenant au moins une couche de
matériau, appelée seconde couche
b) réalisation du pivot,
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c) réalisation de la partie mobile par gravure d'au
moins la deuxième couche de matériau, de façon à
obtenir au moins un motif,
d) êlimination de la couche sacrificielle de façon à
libérer ladite partie mobile qui est alors reliée au
reste de la structure correspondant à la partie
fixe, par le pivot.
Les étapes du procédé de l'invention peuvent
être réalisées dans l'ordre précédent ou dans un ordre
différent, de plus dans certains modes de réalisations
certaines des étapes peuvent s'insérer dans d'autres
étapes. Selon l'invention, le support ou les couches ne
sont pas formés forcément d'un seul matériau, ainsi, le
support peut comporter plusieurs couches et les couches
peuvent comporter plusieurs sous-couches.
De préférence, les moyens réflecteurs sont
réalisés sur la deuxième couche par dépôt mono ou
multicouches de matériaux réflecteurs tels que des
métaux par exemple de l'or, de l'argent, de l'aluminium
ou des diélectriques par exemple du Si02\Ti02 ou du
Si02\HFOZ ; ces matériaux sont déposés par exemple par
pulvérisation cathodique ou évaporation sous vide sur
la deuxième couche généralement après l'étape b).
Si la deuxième couche présente une réflectivité
suffisante pour l'application envisagée, les moyens
réflecteurs sont alors réalisés par la deuxième couche
elle-même.
De façon avantageuse, la première couche est
une couche de matériau d'oxydation thermique, ce qui
permet d'avoir une couche d'épaisseur extrêmement bien
contrôlée qui joue le rôle de couche sacrificielle. La
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valeur de l'excursion angulaire de la partie mobile est
donc très précise et reproductible.
La couche d'oxydation thermique peut être
partiellement éliminée ; elle doit être gravée au moins
5 pour permettre la libération de la partie mobile.
De façon avantageuse, le procédé comporte en
outre une étape d'épitaxie de la deuxième couche, les
moyens réflecteurs étant alors réalisés sur la deuxième
couche après épitaxie.
10 L'épitaxie de la deuxième couche permet, une
augmentation de l'épaisseur de cette couche avec la
meilleure continuité mécanique possible et l'obtention
d'une couche peu déformable de grande qualité mécanique
(notamment résistance mécanique) qui conservera une
excellente planéité même après l'étape d) de
libération.
Selon un mode préféré de l'invention la
deuxième couche est une couche de matériau mono-
cristallin. L'utilisation pour la partie mobile de
matériaux mono-cristallins permet d'obtenir une grande
planéité de la surface sur laquelle la couche de
réflectivité est disposée.
Selon un premier mode de réalisation de
l'invention, l'empilement de l'étape a) peut être
obtenu par la réalisation de la couche sacrificielle
sur le support, puis le dépôt de la deuxième couche.
Pour l'étape a) on peut donc soit réaliser
l'empilement, soit prendre directement une plaquette de
semi-conducteur sur isolant tel que du SOI appelé
"Silicon On Insolator" en terminologie anglo-saxonne,
disponible dans le commerce. Dans ce dernier cas, à
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titre d'exemple, on utilisera favorablement les
substrats SOI mettant en jeu une couche de silice
thermique (par exemple les plaquettes commercialisées
sous l'appellation "Unibond" par la société SOITEC).
Selon un deuxième mode de réalisation de
l'invention, l'étape a) consiste sur le support
mécanique, à reporter la deuxiëme couche, le support
et\ou la deuxième couche comportant sur leurs faces à
reporter une couche sacrificielle qui formera après
report la première couche.
De façon avantageuse le scellement des éléments
reportés (support ou couche d'oxyde d'une part et
deuxième couche ou couche d'oxyde d'autre part) est
réalisé par la technique d'adhésion moléculaire. On
aurait pu également utiliser pour ce scellement un
élément de scellement et par exemple une colle.
La deuxième couche peut être associée à un
support intermédiaire par une zone de liaison apte à
permettre le retrait du support intermêdiaire aprês
report ou dans certains cas particuliers avant report.
Selon une première mise en aeuvre de ce report,
cette zone de liaison est une zone de fragilisation
obtenue par implantation ionique (voir notamment les
brevets US-5 374 564 et US-6 020 252) et\ou par
création de porosité dans la deuxième couche, le
retrait du support intermédiaire est réalisé selon
cette zone de fragilisation par un traitement approprié
tels que l'application de forces mécaniques, et\ou
l'utilisation d'un traitement thermique.
Selon une deuxième mise en aeuvre de ce report,
cette zone de liaison est une couche sacrificielle qui
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est attaquée "chimiquement pour permettre le retrait du
support intermédiaire.
La technique de report utilisée c~an~
deuxième mode permet la mise en oeuvre de plusieurs
plaquettes et permet ainsi d'avoir une plus grande
liberté pour la réalisation de structures, qui peuvent
avoir plusieurs parties mobiles superposées.
Selon un mode avantageux, pour réaliser le
pivot, on effectue avant l'étape d), une gravure
localisée de la ou des couches disposées au-dessus du
support, de façon à former un via et on réalise une
épitaxie à travers le via, le matériau épitaxié dans le
via formant tout ou partie du pivot des moyens
d'articulation.
Le pivot peuvent être réalisé en plusieurs
parties, notamment dans le cas du deuxième mode de
réalisation utilisant le report de la deuxième couche.
Ainsi, le pivot est réalisé par .
- des gravures localisées avant report, de façon à
former un premier via dans la ou les couches
disposées au-dessus du support, et de façon à former
un deuxième via dans la ou les couches disposées sur
la deuxième couche, en regard du support,
- une épitaxie à travers le premier via formant une
première partie du pivot et une épitaxie dans le
deuxième via formant une deuxième partie du pivot,
ces deux parties étant mises en regard au cours du
report et forment après report le pivot.
Dans le cas d'un pivot à motif multi-éléments,
comportant par exemple des éléments conducteurs
parallèles à l'axe du pivot, ces éléments sont par
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exemple réalisés par un dépôt (tel qu'une épitaxie)
dans un via comportant des mailles isolantes (chaque
maille correspondant à une ouverture bordée d'isolant)
de sorte que ces éléments sont isolës après
réalisation.
De façon avantageuse, le procédé de l'invention
met en jeu un amincissement de la deuxième couche pour
diminuer l'inertie de la parties mobile et permettre le
fonctionnement du micro-miroir à fréquences élevées.
Cet amincissement de la deuxième couche peut
être réalisé soit par la création d'une zone de
fragilisation à une profondeur dans la deuxième couche
telle que l'épaisseur restante, après retrait du
surplus (qui peut être celle d'un support
intermédiaire), corresponde à l'épaisseur désirée de la
deuxième couche, soit par une étape de gravure chimique
ou ionique réactive ou de polissage mécano-chimique
jusqu'à l'êpaisseur désirée ou encore par combinaison
de toutes ces techniques. Si l'étape d'amincissement
conduit à des épaisseurs trop faibles de la deuxième
couche, cette épaisseur peut être ré-augmentée au cours
d'une étape d'épitaxie.
Selon un mode avantageux de l'invention une ou
des cavités sont rêalisées dans la partie fixe en
regard de la partie mobile, avantageusement par
gravure. Gênéralement, une cavité périphérique est
gravée, en regard d'une zone périphérique de
l'extrémité de la partie mobile.
La ou les cavités permettent d'augmenter
considêrablement les possibilités de débattement de la
partie mobile. Lorsqu'elles sont directement pratiquées
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dans la partie fixe, toute couche intercalaire
d'espacement peut être évitée, la couche intercalaire
ne pouvant offrir qu'un débattement limité compte tenu
de son épaisseur limitée. Les cavités peuvent être
réalisées de préférence au cours de l'étape a) du
procédé indiqué précédemment.
I1 est toutefois possible de réaliser les
cavitês à tout moment. Lorsque les cavités sont
réalisées postérieurement à l'étape a) du procédé, il
peut être avantageux de les graver depuis une partie
arrière de la partie fixe, c'est-à-dire depuis une
partie qui ne porte pas la partie mobile.
Selon un mode de rêalisation, le micro-miroir
étant à commande électrique, et la partie fixe et la
partie mobile étant au moins dans les parties en
regard, en matériaux semi-conducteurs, le procédé de
l'invention comprend une étape de réalisation du jeu
d'électrodes inférieures et du jeu d'électrodes
supérieures par une implantation ionique de dopants
suivie ou non d'une diffusion thermique appropriée des
dopants implantés.
De façon avantageuse, quel que soit le type
d'électrodes réalisées, elles peuvent s'étendre dans
des régions de la partie fixe situées en dehors des
cavités. Ceci ,permet d'ajuster librement la profondeur
des cavités, et donc l'amplitude de débattement de la
partie mobile, sans pour autant augmenter la distance
entre les électrodes en regard (les tensions de
commande du micro-miroir étant liêes à la distance
entre les électrodes en regard).
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Les lignes de connexion des électrodes à une
électronique de commande peuvent être réalisées de
différentes manières et notamment par une implantation
ionique de dopants suivie ou non d'une diffusion
5 thermique appropriée des dopants. Ces lignes sont
réalisées avantageusement sur la face de la partie fixe
en regard de la partie mobile, le jeu d'électrodes
supérieures étant relié à une ou plusieurs lignes par
l'intermédiaire du pivot et d'une ou de plusieurs
10 électrodes disposées sous le pivot sur la partie fixe.
Des prises de contact peuvent en outre être prévues aux
extrémités de ces lignes en vue de leur connexion à
l'électronique de commande.
Selon un autre mode de réalisation les lignes
15 de connexion des différents électrodes sont réalisées
par des trous métallisés à travers la partie fixe, le
jeu d'électrodes de la partie mobile étant relié à un
ou plusieurs de ces trous métallisés par
l'intermédiaire du pivot et d'une ou de plusieurs
électrodes disposées sous le pivot, sur la partie fixe;
des prises de contact peuvent en outre être prêvues aux
extrémités de ces lignes en vue de leur connexion à
l'électronique de commande.
Le procédé de l'invention s'applique
particulièrement bien à une réalisation collective de
micro-miroirs.
Les caractéristiques et avantages de
l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la
description qui va suivre. Cette description porte sur
des exemples de réalisations, donnés â titre explicatif
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et non limitatif. Elle se réfère par ailleurs à des
dessins annexés sur lesquels .
- les figures la et 1b déjà décrites,
illustrent schématiquement respectivement en
perspective et en coupe un micro-miroir à double
charnière de l'art antérieur,
- les figures 2a à 2c représentent
schématiquement, en coupe, différentes positions d'une
partie mobile reliée à la partie fixe par un pivot
selon le principe du micro-miroir de l'invention,
- les figures 3a à 3i représentent
schématiquement, en coupe, les différentes étapes d'un
premier mode de fabrication d'un micro-miroir à pivot
de l'invention,
- les figures 4a à 4g représentent
schématiquement, en coupe, les différentes étapes d'un
deuxième mode de fabrication de la partie fixe d'un
micro-miroir de l'invention,
- les figures 5a à 5g représentent
schématiquement, en coupe, les différentes étapes d'un
deuxième mode de fabrication de la partie mobile d'un
micro-miroir de l'invention,
- les figures 6a à 6e représentent
schématiquement, en coupe, les différentes étapes
permettant après report des structures obtenues dans
les figures 4g et 5g de réaliser un micro-miroir selon
ce deuxième mode,
- les figures 7a à 7g représentent
schématiquement, en coupe, les différentes étapes d'un
troisième mode de fabrication de la partie fixe d'un
micro-miroir de l'invention,
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les figures 8a à 8c représentent des vues de
dessus de différents micro-miroirs de l'invention
montrant en particulier différentes géométries
d'électrodes permettant des rotations autour d'un
(fig.8a), de deux (fig.8b) ou de quatre axes de
rotation (fig.8c),et
- la figure 9 représente schématiquement, en
coupe, un micro-miroir comportant deux parties mobiles
superposées.
Exposé Détaillé de modes de réalisation
Pour simplifier l'ensemble de la description
qui suit, on prendra à titre d' exemple un pivot centré
et une partie mobile d'épaisseur homogène.
Sur les figures 2a, 2b et 2c, on a représenté
un exemple de micro-miroir à pivot selon l'invention
dans trois positions différentes.
Ce micro-miroir comporte une partie fixe 31 et
une partie mobile 41 disposée au-dessus de la partie
fixe et reliée à celle-ci par un pivot 47. Dans cet
exemple, le pivot est centré sous la partie mobile mais
suivant les applications du micro-miroir le pivot peut
ne pas être centré.
Des électrodes inférieures 33 sont disposées
sur la face de la partie fixe en regard de la partie
mobile et une électrode supérieure 43 est disposée sur
la face de la partie mobile en regard de la partie fixe
de façon à ce qu'au moins une partie de l'électrode
supérieure soit en regard d'au moins une partie de
chacune des électrodes inférieures. Sur les figures 2
qui sont des coupes selon un plan perpendiculaire au
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plan des couches et passant par le pivot, seuls deux
électrodes inférieures sont représentées de part et
d'autre du pivot. Ces électrodes sont reliées à des
lignes de connexion 62 disposées sur la même face. Une
électrode supplémentaire 33' disposée sous le pivot,
sur la partie fixe permet de relier l'êlectrode
supérieure par l'intermédiaire du pivot à une ligne de
connexion (non présente dans le plan des figures 2).
Pour augmenter l'excursion angulaire de la
partie mobile, la partie fixe comporte en outre des
cavités 36 en regard des extrémités de la partie
mobile. Ces cavités sont de préfêrence périphériques et
ne forment donc qu'une cavité unique.
La figure 2a montre la partie mobile disposée
dans un plan parallèle au plan du support ; la figure
2b, illustre la partie mobile qui a pivoté selon un axe
de rotation perpendiculaire à celui du pivot et
perpendiculaire au plan de la figure, une des
extrémités de la partie mobile se trouve dans la cavité
36 ; la figure 2c illustre la partie mobile qui a
pivoté autour du même axe de rotation mais à 180,
l'extrémité opposée de la partie mobile se trouve à son
tour dans la cavité 36.
La description qui suit expose deux procédés de
fabrication d'un micro-miroir de l'invention sachant
d'une part que ces procédés permettent une réalisation
collective de micro-miroirs et d'autre part que de
nombreuses variantes de ces procédés peuvent être
utilisées sans sortir du cadre de l'invention. Le
premier procédé est réalisé sur une plaquette tandis
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que le deuxième procédé est réalisé sur deux plaquettes
séparées A et B puis reportées.
Par ailleurs, pour simplifier, la description,
on a choisi à titre d'exemple pour réaliser le micro
s miroir, du silicium pour le support, la deuxième couche
et le pivot et un oxyde thermique de silicium pour la
première couche.
Le premier mode de réalisation du micro-miroir
de l' invention qui est mise en oeuvre sur une plaquette
est illustré sur les différentes figures 3.
Pour cela, on réalise (voir figure 3a en coupe)
une plaquette de type SOI "Silicon on Insulator" ou on
en prend une plaquette de ce type disponible dans le
commerce.
Pour réaliser une telle plaquette on utilise un
support en silicium non dopé 21 sur lequel on fait
croître une couche diélectrique de silice thermique 22.
La couche d'oxyde thermique est réalisée de préférence
par une oxydation à haute température sous atmosphère
sèche (entre 800° C et 1100°C sous oxygène) ou sous
atmosphère humide (entre 800°C et 1100°C sous vapeur
d'eau) et à pression atmosphérique ou à haute pression.
Une couche de silicium mono-cristallin de
surface 20 est ensuite déposée par toutes les
techniques connues de dépôt et en particulier celles du
report de couche mince.
La figure 3b montre la réalisation des
électrodes des moyens de commande électrique par la
formation de différentes zones dopées 24, 24' et 23
dans la partie supérieure du support en silicium 21 non
dopé et dans la couche de silicium mono-cristallin de
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surface 20. Ces zones sont obtenues par implantation
ionique d'atomes dopants (en général Bore ou Phosphore)
à différentes énergies suivant la profondeur de
localisation souhaitée, suivies ou non par un recuit
5 thermique. Suivant les profondeurs de localisation
désirées et l'épaisseur de la couche diélectrique 22,
les énergies d'implantation seront typiquement
comprises entre 20 et 300 keV et les doses implantées
entre 1014 et 1016 cm-2' A titre d' exemple, dans la
10 couche 20, d'épaisseur W' typiquement comprise entre
0.1 micron et 0.6 micron, les énergies d'implantation
pour former les zones 23 seront faibles (15 à 100 keV)
alors que dans le support 21, les ions implantées
devant traverser la couche de silice 22 d'épaisseur W
15 et en partie la couche de silicium 21, les énergies
d'implantation pour former les zones 24 et 24'seront
plus élevées (en général supérieures à 100 keV).
La figure 3c montre la formation de
l'emplacement 25 du futur pivot par gravure locale des
20 couches 20 et 22 pour former un via au-dessus de la
zone implantêe 24'.
La figure 3d illustre une étape d'épitaxie.
Cette étape permet à la fois de réaliser le pivot en
silicium mono-cristallin dopê et d'augmenter
l' êpaisseur du silicium de surface 20 afin d' accroître
la rigidité mécanique de ce qui formera la partie
mobile du micro-miroir.
Durant cette étape d'épitaxie, le dopages du
matériau épitaxié peut être modifié et par exemple
choisi plus élevée au début du procédé (correspondant à
la formation du pivot 27 qui doit être électriquement
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relié à une zone implantêe du support) qu'en fin de
procédé où il ne s'agit que d'augmenter l'épaisseur de
la couche 20 pour former la couche de silicium mono-
cristallin 26 dont l'épaisseur pourra atteindre
plusieurs microns suivant les spécifications désirées.
La dépression 28 qui peut apparaître dans cette couche
épitaxiée résulte de la présence de la gravure locale
25.
La figure 3e montre une coupe du dispositif
après l'étape d'épitaxie et d'amincissement par exemple
par un polissage mécano- chimique nécessaire pour
effacer la dépression 28 et obtenir une couche de
silicium mono-cristallin 26 de planéité parfaite.
D'autres techniques d'amincissement peuvent bien
entendu être utilisées et en particulier celle décrite
dans le brevet US-5 374 564 ou dans le brevet
US-6 020 252.
La figure 3f montre la réalisation des moyens
de réflexions par la formation sur la couche 26 d'une
couche miroir de haute réflectivité 29 aux longueurs
d'ondes d'utilisation du micro-miroir par exemple par
un dépôt métallique ou multicouches diélectriques.
La figure 3g illustre l'étape de gravure de la
future partie mobile du micro-miroir. Cette gravure,
dont la géométrie et les dimensions dépendent des
spécifications optiques attendues et donc des
applications visées (par exemple carrés de côtés ou
cercle de diamètres de l'ordre de quelques dizaines de
microns à quelques millimètres), met en jeu les couches
29 et 26 et éventuellement la couche de silice
thermique 22.
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22
Cette gravure est réalisée par exemple par tous
types de gravure adaptée aux matériaux mis en jeu
(gravure ionique, ionique réactive et\ou gravure
chimique).
A titre d'exemple, pour des couches 29 en
aluminium, 26 en silicium, cette gravure est réalisée à
travers un masque (non représenté) par une première
attaque ionique réactive par exemple avec des gaz
chlorés pour attaquer l'aluminium, puis par une seconde
attaque ionique réactive utilisant par exemple un gaz
SF6 pour attaquer le silicium.
La figure 3h montre une coupe du composant
après enlèvement de la couche sacrificielle de silice
22 au moins sous la partie mobile du micro-miroir et
donc la libération de cette partie mobile. L'enlèvement
de la couche 22'est réalisé par exemple pour une couche
d'oxyde de silicium par une attaque chimique à base
d'acide fluorhydrique ou par une attaque ionique
réactive à base de gaz fluorés.
Dans la structure représentée figure 3h,
l'amplitude 0A de l'excursion angulaire totale est
déterminée par la hauteur H du pivot et la largeur L de
la partie-mobile dans son plan de rotation (sinus 08
H/2L) ; les extrémités de la partie mobile du micro-
miroir peuvent se trouver alors en butée avec le plan
du support. Cette configuration a donc l'inconvénient,
pour une hauteur H de pivot donnée, de lier entièrement
l'excursion angulaire totale 08 et la dimension L de la
partie mobile dans le plan de rotation considéré.
La figure 3i donne un moyen de contourner cet
inconvénient en réalisant dans le support 21 des
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cavités 19 traversantes ou non dont les bords
intérieurs sont situés à une distance L' de l'axe du
pivot plus petite que L/2 et les bords extérieurs à une
distance L" plus grande que L/2.
L'excursion angulaire 09 définie par la
relation tangente O8 =H/L' ne dépend alors de L'et non
plus de L.
Cette cavité peut être facilement réalisée par
la face arrière de la plaquette, par exemple par une
gravure chimique préférentielle comme illustré figure
3i, et de ce fait elle doit traverser l'épaisseur du
support silicium.
Le second mode de réalisation de l'invention
qui effectue les étapes du procédé sur deux plaquettes
A et B puis qui reporte ces plaquettes est représenté
sur les figures 4, 5 et 6.
~ Préparation de la plaquette A
A partir d'un support mécanique par exemple une
plaquette de silicium non dopë 31 (fig.4a), on réalise
les différentes électrodes 33, 33' de la partie fixe
par implantation ionique suivie ou non d'un recuit
thermique (fig.4b). La figure 4c illustre une étape
d'oxydation thermique du support, destinée à former une
couche d'oxyde thermique 32 d'épaisseur parfaitement
contrôlée et en général comprise entre 1 et 3 microns ;
au cours de cette étape réalisée en génêral à haute
température, il y a diffusion des dopants des zones
implantées et accroissement du volume occupé par ces
zones.
Les étapes représentées fig.4b ' et fig.4c
peuvent être inversées au prix de l'augmentation des
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énergies d'implantation pour réaliser les zones dopées
33, 33' (les ions implantés devant alors traverser la
couche de silice thermique).
La figure 4d montre l'étape suivante
correspondant à la formation de la gravure localisée 34
de 1â couche de silice thermique 32 au-dessus de la
zone dopée 33' pour former un via. Puis, la figure 4e
illustre une étape d'épitaxie qui permet de faire
croître du silicium mono-cristallin dopé dans le via
34. La partie de l'élément d'articulation 35 ainsi
formé est d'épaisseur généralement très lêgèrement
supérieure à l'épaisseur de la couche de silice 32 ;
cette partie d'élément va constituer une partie du
futur pivot. La figure 4f illustre une étape de
polissage mécano-chimique destinée à planariser la
surface de la plaquette A et "gommer" l'excès
d'épaisseur éventuel de l'élêment d'articulation 35.
La figure 4g représente une étape de gravure de
cavités 36 qui permettent de désolidariser les
dimensions de la partie mobile et l'excursion angulaire
maximale D9 de ladite partie. Les dimensions (position
par rapport à l'axe du futur pivot, largeur et
profondeur) des ouvertures 36 sont déterminées à partir
des dimensions de la partie mobile et de l'excursion
angulaire ~A souhaitée suivant les différents axes de
rotation.
Contrairement au cas où le procédé de
l'invention est réalisé sur une plaquette et dans
lequel les cavités 19 doivent traverser le support,
dans ce deuxième mode de réalisation, où le procédé est
réalisé sur deux plaquettes qui sont ensuite reportées,
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les cavités 36 peuvent avoir une épaisseur très
inférieure à l'épaisseur. du support 31. Ces cavités
peuvent être de forme quelconque et en particulier
entourer le pivot.
5 ~ Préparation de la plaquette B
Les figures 5 montrent les diffërentes étapes
de fabrication de la plaquette B. On prend tout d'abord
un substrat 41 (fig.5a) par exemple en silicium mono-
cristallin, dans lequel on forme une électrode 43 par
10 exemple par une implantation ionique (fig.5b) suivie ou
non d'un recuit thermique. Puis, on forme une couche
d'oxyde thermique 42 (fig.5c) de la même façon que pour
la couche 32. On grave ensuite cette couche 42 pour
former un via 44 (fig.5d) qui s'étend jusqu'à
15 l'électrode 43 ; cette ouverture a des dimensions très
voisines de celles de l'ouverture 34~ (fig.4d ) ; une
étape d'épitaxie (fig.5e) à partir du silicium mono-
cristallin permet alors de former dans l'ouverture 44
une autre partie du pivot qui est en silicium mono-
20 cristallin 45 dopé. Une étape de polissage mécano-
chimique (fig.5f) permet si nécessaire d'obtenir une
planarisation parfaite de la surface de la plaquette B.
L'étape illustrée figure 5g consiste à créer
une zone de liaison 46 dans la plaquette 41 telle
25 qu'une zone de fragilisation crée par exemple par
implantation d'ions. Cette zone délimite dans la
plaquette une couche (appelée précédemment deuxième
couche) d'épaisseur typiquement comprise entre 0,1 et 2
microns entre la couche de silice 42, et le reste de la
plaquette (qui peut être un support intermédiaire).
Cette zone de fragilisation permet de séparer la
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deuxième couche, du reste de la plaquette, soit avant
report mais plus généralement après report (voir en
particulier les brevets US 5 374 564 et US 6 020 252).
~ Assemblage des plaquettes A et B
La première étape illustrée figure 6a consiste
à assembler les deux plaquettes A et B face oxydée
contre face oxydée. Au cours de cet assemblage, le
positionnement des deux plaquettes est réalisé de façon
à aligner les deux parties du pivot 35 et 45 et former
le pivot 47.
Le scellement peut favorablement être réalisé
par les techniques connues d'adhésion moléculaire.
Les deux plaquettes A et B étant assemblées, la
partie supérieure de la couche 41 de la plaquette B est
séparée de l'ensemble A et B au niveau de la zone
fragilisée 46. Cette séparation peut favorablement se
faire à partir d'un traitement thermique et\ou
mécanique. Après cette séparation, il ne reste, voir
figure 6b qu'une couche mince de silicium mono-
cristallin 41' comportant éventuellement des zones de
différents dopages.
Si la couche 41' est trop mince, le procédé
peut comporter en outre (voir figure 6c) une étape
d'épitaxie destinée à augmenter l'épaisseur du film
mono-cristallin 41' afin d'accroître la rigiditê
mécanique de ce qui formera la partie mobile des
miroirs, cette étape pouvant être suivie d'une êtape de
polissage mécano-chimique pour planariser la surface.
L'épaisseur finale de cette couche 41' est par exemple
de 5 à 60 ~,m.
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Une couche 48 de haute réflectivité aux
longueurs d'ondes optiques de travail soit métallique
soit multi-couches diélectriques est ensuite déposée
sur la couche 41'.
La figure 6d montre l'étape suivante de gravure
des couches 41' et 48 selon le motif désiré pour la
partie mobile du futur micro-miroir. Cette gravure est
réalisée à travers un masque non représenté.
La figure 6e illustre l'étape de libération de
la partie mobile autour du pivot 47 par suppression des
couches sacrificielles de silice thermique par attaque
chimique par exemple à l'aide d'un bain d'attaque
utilisant de l'acide fluorhydrique ou d'une attaque
ionique réactive à base de gaz fluorés.
Les différentes étapes de fabrication
présentées dans les diverses figures 3 à 6 peuvent
comporter de nombreuses variantes. En particulier
l'ordre des différentes étapes peut dans certain cas
être inversé et certaines des étapes peuvent être
modifiées.
Ainsi, par exemple, on aurait pu réaliser
qu'une seule couche d'oxydation thermique sur la
plaquette A et ainsi former le pivot par un élément
unique dans cette couche ; la couche de silicium mono-
cristallin aurait été reportée directement sur cette
couche d'oxyde.
Pour simplifier la description, on n'a pas
représenté sur les figures précédentes les lignes de
connexions des électrodes et les prises de contact à
une électronique de commande.
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Ces lignes de connexion peuvent être réalisées
de différentes manière et notamment par implantation
ionique suivie ou non d'une diffusion thermique
appropriée des dopants. Ces lignes sont réalisées
avantageusement sur la face avant du support en regard
de la partie mobile, l'électrode de la partie mobile
étant reliée à certaines de ces lignes par
l'intermédiaire du pivot lorsque celui-ci est
conducteur et de l'électrode 33'. Ces lignes de
connexion peuvent aussi être réalisées par des trous
métallisés à travers le support, l'électrode de la
partie mobile étant reliée à certains de ces trous
métallisés par l'intermédiaire du pivot lorsque celui-
ci est conducteur et de l'électrode 33'.
A titre d'exemple, on a représenté uniquement
figure 4g en pointillés la réalisation à travers le
support de trous métallisés 70 reliant les électrodes
33 et 33'à des prises de contact 71.
Lorsque le micro-miroir doit tourner autour
d'au moins deux axes de rotation perpendiculaires tout
en conservant l'avantage de séparer la valeur de
l'excursion angulaire 0A, de la dimension L de la
partie mobile, on réalise de façon avantageuse dans le
support, des cavités entourant complètement le pivot
47. Dans le cas où les lignes de connexions sont
réalisées sur la face avant du support, pour ne pas
couper par les cavités, les lignes de connexions
êlectriques (représentées à titre d'exemple sur les
figures 9 et désignêes par 62) alimentant les
différentes électrodes, on grave le support pour y
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former une cavité përiphérique avant de former les
zones dopées 33 33'.
Les figures 7 illustrent cette variante du
procédé.
A partir d'une plaquette 31 (voir figure 7a),
on forme une cavité 36 par gravure réalisée par
différentes méthodes comme la gravure ionique réactive
(correspondant à la forme de la cavité de la figure 3g)
où la gravure chimique préférentielle (correspondant à
la forme de la cavité de la figure 7b). Dans tous les
cas, la géométrie (formes et dimensions) de la cavité
36 est déterminée à partir de la forme (qui peut être
circulaire, carrée, rectangulaire, octogonale...) et
des dimensions de la partie mobile du micro-miroir et
de la valeur de l'excursion angulaire totale 09
souhaitée suivant les différents axes de rotation ; la
valeur de l'excursion angulaire totale D8 pouvant
d'ailleurs prendre des valeurs différentes 061, 062...
suivant chacun des axes de rotation.
Les autres étapes de fabrication représentées
figure 7c (réalisations des zones dopées), figure 7d
(réalisation de l'oxyde thermique), figure 7e
(réalisation d'un via 34 dans la couche d'oxyde),
figure 7f (épitaxie pour réaliser une partie du pivot)
et figure 7g (planarisation de la structure) peuvent
être identiques à celles décrites précédemment. Pour
obtenir, la structure finale, on reporte ensuite sur la
plaquette obtenue figure 7g, par exemple la plaquette
obtenue figure 5g et on effectue comme décrit en
référence aux figures 6 le reste des étapes du procêdê.
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Le micro-miroir obtenu est par exemple celui représenté
sur les figures 2.
La figure 8a montre en vue de dessus une
géométrie d'électrodes inférieures 33 dans la partie
5 fixe. Les électrodes permettant de faire osciller la
partie mobile suivant 2 positions autour d'un seul axe
de rotation R1, sont au nombre de 2 et sont disposées
symétriquement par rapport à l'axe de rotation R1 qui
passe par le pivot 47, l'électrode 33' centrale permet
1
10 uniquement la liaison électrique de la partie mobile.
La figure 8b montre une géométrie d'électrodes
inférieures 33 permettant d'obtenir 4 positions autour
de 2 axes de rotation perpendiculaires R1 et R2 passant
par le pivot ; ces êlectrodes 33 sont au nombre de 4 et
15 sont appariêes 2 à 2, chaque couple d'électrodes êtant
disposé symétriquement par rapport à un des axes ; de
même, l'électrode 33' centrale permet uniquement la
liaison électrique de la partie mobile.
On peut ainsi envisager un grand nombre de
20 couple d'électrodes disposées de part et d'autres d'un
axe de symétrie. La figure Sc donne un exemple à 4 axes
de rotations (R1, R2, R3, R4) à 45° les uns des autres
et 4 couples d'électrodes inférieures 33 disposées en
secteurs autour de l'axe du pivot.
25 Sur les figures 8a, 8b et 8c les différents
éléments clés des micro-miroirs sont représentés en
transparence. On a représentë 'les jeux d'électrodes
inférieures 33 (électrodes de la partie fixe), et
l'électrode supérieure 43 (électrode de la partie
30 mobile) ; l'électrode inférieure 33'qui est reliée
électriquement à l'électrode supérieure par le pivot 47
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est dessinée en gris foncé tandis que sur la figure 8b
les deux jeux d'électrodes permettant la commande de
rotation du micro-miroir suivant chacun des axes de
rotation perpendiculaires sont dessinés avec deux
nuances de gris plus claires mais diffêrentes. La
surface réfléchissante 48 de la partie mobile et les
traces 50 et 51 des zones gravées 36 permettant la
séparation des variables dimension du micro-miroir et
excursion angulaire totale 06 sont également
représentés.
On a représenté très schématiquement également
les lignes de connexions 62 des électrodes à des prises
de contact 60, ces prises de contact étant aptes à être
connectées à une électronique de commande (non
représentée).
Les différentes fonctionnalités précédentes
sont bien sûr réalisables aussi bien dans le cas de
l'utilisation d'une plaquette unique que de plusieurs
plaquettes. L'utilisation de plus de deux plaquettes
peut être envisageable pour permettre en particulier la
réalisation de structures complexes par exemple des
micro-miroirs à plusieurs parties mobiles superposées.
La figure 9 représente une coupe schématique
d'un exemple de micro-miroir à 2 parties mobiles sur
une partie fixe 31.
La première partie mobile comporte une deuxième
couche 41 ; elle est reliée à la partie fixe par un
pivot 47. La deuxième partie mobile comporte une
deuxième couche 71 et une couche réflective 78 ; elle
est reliée à la premiêre partie mobile par un pivot 77.
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Dans cet exemple, pour permettre la commande du
micro-miroir, la partie mobile 71 comporte une
électrode 73 et la partie mobile 41 comporte des
électrodes 53 disposées en secteur autour du pivot 77,
les électrodes 73 et 53 étant disposées en regard ; de
plus, la partie mobile 41 comporte des électrodes 43
disposées en secteur autour du pivot 47, ces électrodes
étant disposées en regard des électrodes 33 de la
partie fixe.
Dans cet exemple, les axes des pivots 47 et 77
sont confondus ; ces pivots sont multi-éléments et
permettent de relier les électrodes 73, 53 et 43 des
parties mobiles 41 et 71 à une électronique de
commande,via des lignes de connexion 62 disposées sur
la partie fixe.
Ce principe peut bien sûr être généralisé à un
nombre de parties mobiles supérieures à 2.
Références
~ "Mirrors on a chip", IEEE SPECTRUM, November
93
~ L.J. Hornbeck, "micro-machining and micro-
fabrication" "95", October 95, Austin (US)
~ D.J Bischop and V.A Aksyuk, "Optical MEMS
answer high-speed networking requirements", Electronic
Design, 5 April 99
