Nicolas PASSILLY, Sylwester BARGIEL et Christophe GORECKIInstitut FEMTO-ST, Département MN2Schristophe.gorecki@femto-st.fr

La technologie MEMS (systèmes micro-électro-mécaniques) est aujourd’hui implantée dans différents domaines et conduit à de nombreuses applications commerciales. Grâce à son développement, les composants micro-optiques, optoélectroniques et micromécaniques bénéficient de techniques de micro-fabrication fiables et àfaible coût. Dans ce contexte, nos objectifs sont de miniaturiser les instruments optiques de grande taille qui restentaujourd’hui très répandus pour les mesures à l’échelle micrométrique. Ainsi, nous souhaitons réaliser desarchitectures hybrides d’instrumentation optique grâce à tout le potentiel des microsystèmes. Cette démarche,illustrée par différents projets dans cet article, permet d’atteindre une miniaturisation poussée, d’accéder à lamesure parallèle grâce à la disposition matricielle issue de la fabrication collective et dans certains cas, de donnerde nouvelles fonctionnalités.

Microsystèmes et microcomposants pour l’instrumentation optique sur puce

Les technologies MEMS pourl’instrumentation sur puce

Les technologies MEMS sont apparuesdans les années 70 et ont donné nais-sance, au début des années 90, aux pre-mières applications commerciales princi-palement avec les accéléromètres et lescapteurs de pression. Les MEMS optiques(ou MOEMS) ne sont apparus qu’au milieudes années 90 mais ont connu un essorrapide avec les commutateurs optiques,l’optique adaptative ou les matrices demicro-miroirs. Les systèmes ayant desfonctions optiques sont ainsi devenus unpan important des microsystèmes. À par-tir de ces composants majoritairementréflectifs, l’évolution tend aujourd’huidavantage vers l’association de compo-sants réfractifs et diffractifs capables demodifier les propriétés des faisceaux lumi-neux, en changeant par exemple leur miseen forme ou leur état de polarisation.Notre activité s’articule autour de cesMOEMS et nous essayons d’utiliser lestechnologies associées pour réaliser des architectures hybrides d’instrumenta-tion optique. Une de nos approches estl’intégration verticale multi-substrat quiconsiste, par exemple, à assembler ver -ticalement des substrats de types dif -

férents, comportant des éléments méca-niques, optiques ou électroniques afin de créer des systèmes hétérogènes etcomplexes sous forme matricielle. Ils peu-vent ensuite être utilisés tels quels pour lamesure parallèle ou bien être découpésen sous-ensembles individuels. Les inté-rêts majeurs sont le fort potentiel deminiaturisation et le peu d’assemblageset d’alignements individuels puisque lamajeure partie de la fabrication s’effectueau niveau wafer. Les technologies utili-sées sont des technologies de micro-usi-nage avec différents types de lithographie(optique ou électronique), de gravure(sèche ou humide) majoritairement surverre et silicium. Les différentes tech-niques de soudure (anodique, eutectique)sont également requises afin d’intégrerdes briques de base hétérogènes.

Cellules pour les horloges atomiques miniatures

Un des exemples d’application destechniques de micro-fabrication est laréalisation d’horloges atomiques minia-tures susceptibles de fournir une base detemps avec une précision de l’ordre de 10-11 à la journée tout en maintenant une

consommation électrique faible afinqu’elles puissent être embarquées. Ceshorloges sont basées sur un phénomèneappelé le piégeage cohérent de popula-tion (CPT) qui consiste à interroger unevapeur alcaline par un faisceau laser issud’une diode laser modulée en fréquence.Un photodétecteur permet de détecter la résonance atomique utilisée pour as -servir la fréquence de modulation dulaser, afin de délivrer un signal stable etprécis. Ce principe permet de s’affranchirde la cavité micro-onde de résonance,présente dans la plupart des horlogesmacroscopiques. Les technologies demicro-fabrication issues des MEMS sontdonc utilisées pour réaliser la cellule quicontient la vapeur alcaline (césium dansnotre cas). Celle-ci est composée d’unsandwich silicium-verre assemblé parsoudure anodique, et où le silicium estusiné par gravure réactive profonde afinde générer la cavité emprisonnant lesatomes de césium (figure 1).

Pour garantir une bonne herméticité de la cellule, nous avons développé unetechnique de remplissage de la vapeuralcaline basée sur un dispenser, stable à la température de la soudure anodique, et qui peut être post-activé par un échauf-fement local par laser une fois la cellule

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Article disponible sur le site http://www.photoniques.com ou http://dx.doi.org/10.1051/photon/20126033

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scellée définitivement. Cette approchegarantit une atmosphère interne et unesoudure de très bonne qualité. Pour quele signal CPT soit suffisamment élevé (etpour éviter d’avoir à refroidir la cellule), latempérature nominale d’utilisation est deplusieurs dizaines de °C. À ces tempéra-tures, l’agitation thermique des atomes decésium est significative, engendrant unélargissement Doppler de la résonanceatomique. C’est pourquoi les atomes decésium doivent être dilués dans un gaztampon (e.g. Ar, Ne) qui, par effet Dicke,ralentit la diffusion des atomes et parconséquent augmente le temps entredeux collisions sur les parois de la cellule.Ce gaz permet, par conséquent, de ré duirela largeur Doppler, d’augmenter la duréede vie de la cohérence CPT et de réduire lalargeur de la résonance atomique.

Pour remplir la cellule de ce gaz tam-pon, nous avons développé un procédéde soudure anodique en deux étapes quipermet d’éviter les décharges électriquesconsécutives à l’ionisation du gaz tamponet empêchant la limitation de la tensionapplicable. Une pré-soudure est donc réa-lisée en présence de gaz tampon à unetension inférieure à la tension de cla-quage, suivie une fois la chambre ventiléed’une seconde soudure à une tension de900 V pour renforcer la qualité du scelle-ment. Nous avons montré que ces tech-niques de remplissage de vapeur alcalineet de gaz tampon permettaient la réalisa-tion de cellules dont la durée de vie étaitde plusieurs années.

Ce projet de réalisation de micro-hor-loges atomiques est un projet transverse

de FEMTO-ST impliquant, en plus du dé -partement MN2S, le département Temps-fréquence pour la métrologie temps-fré-quence. Ce projet a reçu en particulier lesoutien de la commission européenne(FP7) qui a permis de fédérer un consor-tium de partenaires européens (pourl’électronique, le laser VCSEL, le packa-ging) et a conduit récemment à la réalisa-tion d’un démonstrateur MEMS de ceshorloges atomiques.

Système interférométrique d’inspection parallèle de MEMS

Dans le cadre d’un autre projet euro-péen appelé SMARTIEHS, nous avons participé à la réalisation d’un systèmeopti que d’inspection massivement paral-lèle pour le contrôle en ligne de la produc-tion de MEMS. L’élément central de ce système d’inspection est une matriced’interfé romètres (démonstrateur com-posé de 5 x 5 canaux), dont le pas est unmultiple de l’écart entre deux structures àinspecter, et dont le concept est basé surl’interchangeabilité des wafers sondes(par exemple : matrice d’interféromètres à basse cohérence pour la topographie, ou matrice d’interféromètre laser pour la caractérisation des paramètres dyna-miques). Pour les mesures de topographie,ce dernier est composé d’une ma trice d’in-terféromètres de Mirau micro- usinés,basée sur l’assemblage vertical de deuxwafers, l’un muni d’une matrice de micro-lentilles, de ré seaux de diffraction pour lacorrection des aberrations chromatiques

et sphériques et de micro-miroirs de réfé-rences, l’autre basé sur un dépôt multi-couches diélectrique servant de lameséparatrice (figure  2, schématisant uncanal unique). Ce système est égalementcomposé d’un bloc d’illumination/détec-tion, comprenant une matrice de diodesélectroluminescentes émettant à la lon-gueur d’onde de 470 nm, couplée à un cap-teur « smart-pixel » qui permet de détecteret démoduler le signal d’interférences.

Le wafer sonde comprend quatre com-posants micro-optiques différents. Lamicrolentille réfractive est caractériséepar un profil sphérique et une ouverturenumérique égale à 0,135 (longueur focalede l’ordre de 9  mm). La correction desaberrations induites par la microlentilleest réalisée grâce à un élément diffractif,positionné sur sa face plane, qui présenteun profil de phase à symétrie radiale. Cecomposant en polymère est répliqué parmoulage ultra-violet depuis un masterréalisé par lithographie laser à dose varia-ble. Au centre de celui-ci, un micro-miroirde référence en aluminium de dimension700 × 700 μm2 est préalablement déposéau-dessus d’une couche de silicium amor -phe pour limiter la lumière directementréfléchie vers le détecteur (figure 3). Cescouches sont générées par procédé lift-off après le dépôt PECVD du silicium etl’évaporation de la couche d’aluminiumsur une couche de résine structurée parphotolithographie. En parallèle, la lameséparatrice fonctionnant sous incidencenormale est réalisée par pulvérisation deplusieurs paires de couches SiO2 et SiOxNy.Ces deux wafers sont alors assemblés

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Figure 1. Microcellule verre-silicium-verre à vapeur alcaline comprenant deux cavités, l’une pour le dispenser qui permet de relâcher le césium après le scellementde la cellule, l’autre pour l’interrogation optique des atomes de césium, reliées par d’étroits canaux.

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kHz Solid State

High Energy YAG

Ultrafast Systems

Tunable Systems

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Figure 2. Vue schématique d’un des interféromètres de Mirau. Le wafer sonde est composé de deux waferscomprenant une microlentille, des corrections d’aberrations diffractives et un micro-miroir, ainsi qu’unelame séparatrice.

Figure 3. Image de l’un des composants diffractifspermettant la correction d’aberrations issues dela microlentille, avec le micro-miroir déposé aucentre.

Figure 4. Image du wafer sonde assemblé.

autour d’un wafer de séparation qui per-met d’ajuster le chemin optique entre lesdeux bras de l’interféromètre (figure 4).

La figure 5 présente les images d’un cap-teur MEMS infrarouge enregistrées par uncanal interférométrique du système où lesfranges d’interférences sont clairementvisibles. La dimension des poutres au cen-tre est de 10 microns.

Figure 5. Image d’un capteur infrarouge enregis-trée par l’un des interféromètres de Mirau où l’ondistingue les franges d’interférences. La surfaceinspectée par un canal correspond à la taille dumicro-miroir (700 x 700 m2), la largeur des pou-tres au centre est de 10 m.

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Microscope confocal à balayage

Comme pour le projet précédent, l’idéedu microscope confocal à balayage inté-gré sur puce est d’utiliser les techniquescollectives de fabrication en vue de minia-turiser le dispositif (pour des inspectionsin situ), de réduire son coût et éventuelle-ment d’accéder à la mesure parallèled’échantillons qui peuvent être par exem-ple contenus dans des canaux micro-flui-diques, si ce système est utilisé conjointe-ment avec des matrices de détecteurs etde lasers à semi-conducteurs.

Ce système est basé sur l’intégrationverticale de différentes briques de basehétérogènes munies de composants mi -cro-optiques, micromécaniques et opto -

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Figure 7. Collection d’actionneurs électrostatiquesà plaques parallèles portant une microlentille.

Figure 8. Table électrostatique X-Y à peigne interdigité avec son emplacement pour recevoir une microlentille.Les encarts montrent les parties isolantes de fixation des cadres ainsi que les peignes interdigités.

Figure 6. Micro-scanner 3-D micro-usiné intégréverticalement : vue éclatée des briques de base.

électroniques pour la réali -sation d’un scanner micro-optique. Un des défis est doncl’assemblage multi-substratvertical, qui consiste à empilerdifférentes briques fonction-nelles et à les connecter entreelles. Le micro-scanner com-porte différents actionneursélectrostatiques em barquant,sur leur membrane en silicium,des microlentilles réfractivesen verre qui permettent leur

déplacement précis dans le plan (X-Y) ethors du plan (Z) afin de défléchir un fais-ceau laser et le focaliser suivant les troisdimensions (figure 6). L’actionneur Z est

un actionneur électrostatique en siliciumà plaques parallèles (figure 7) dont lacourse atteint ± 35 μm à des fréquencesde plusieurs centaines de hertz. L’action-neur X-Y est composé de deux cadresimbriqués et actionnés par des peignesinterdigités (figure 8). L’isolation électriqueentre les deux cadres suspendus permetun con trôle indépendant des mouve-ments en X et en Y. En mode statique, lesdéplacements atteignent ± 30 μm en X et ± 40 μm en Y. Les fréquences de réso-nances sont également de plusieurs cen-taines de hertz.

Afin d’intégrer les microlentilles enverre sur les membranes de ces action-neurs, nous avons recours au moulage àpartir de moules en silicium. Ces moulessont générés par différents types de gra-vure humide, isotrope (HF/HNO3) ou ani-sotrope (KOH) en fonction des paramètresoptiques recherchés (diamètre, ouverturenumérique, distance focale) (figure 9). Les moules obtenus par double gravureanisotrope permettent la fabrication delentilles de grand diamètre et de faibleépaisseur (ON < 0,05, focale de plusieursmillimètres), tandis que les moules gravésisotropiquement produisent des lentillesde petit diamètre et de grande épaisseurdont la forme est proche d’un profil hémi-sphérique (ON < 0,5, focale de quelquescentaines de microns). Pour le moulageproprement dit, un substrat de verre boro-silicaté est assemblé au substrat en siliciumcontenant les moules (par soudure ano-dique) avant un recuit du verre. Une fois

le moule rempli, le verre est poli puis unefenêtre est ouverte à travers le substrat ensilicium pour libérer la lentille qui resteintégrée sur silicium (figure 9).

L’assemblage de ces différents substratsest ensuite réalisé séquentiellement parsoudure multi-niveaux. Une des difficultésréside dans la compatibilité des procédésde soudure avec les méthodes d’intégra-tion des composants micro-optiques. Uneautre difficulté concerne la réalisation desvias pour les connexions nécessaires à l’ac-tionnement et leur compatibilité avec l’as-semblage multi-niveaux, puisque lesconnexions doivent être accessibles sur lasurface de la puce en vue de systèmes demesure massivement parallèles.

Les performances d’un tel système, dont le volume n’excédera pas 1  cm3, sont une résolution comprise entre 1,5 et2,5 μm et un volume de balayage de 60 ×60 × 60 μm3.

Le projet est aujourd’hui réalisé en col-laboration avec l’institut Fraunhofer ENAS(Allemagne), spécialiste de l’assemblagemulti-substrats.

Une voie vers de nouvelles applications

Depuis la fin des années 1990, les MEMSoptiques ont lentement évolué à partir de

composants optiquement passifs (action-nement de micro-miroirs) vers des com-posants optiquement actifs permettantde modifier les propriétés intrinsèquesdes faisceaux de lumière. Cette évolutioninitiée par l’optique adaptative s’orienteaujourd’hui vers des systèmes dans les-quels l’association d’actionneurs et dedivers composants micro-optiques (ré -fractifs, diffractifs) permet de construiredes fonctions optiques complexes etdynamiques. Cette évolution est renduepossible par le développement ré cent destechnologies micro-optiques et d’intégra-tion hétérogène. Les technologies MEMS

sont donc aujourd’hui propices à la réali-sation d’instruments opti ques sur pucecomplets. Leurs avantages sont claire-ment le très fort potentiel de miniaturisa-tion, la réduction de la consommationénergétique et de leur coût ainsi que l’ac-cès à la mesure massivement parallèle. En surmontant l’obstacle de l’intégrationde tels systèmes complexes, de nouvellesapplications pour la médecine (systèmesportables à haute résolution, micro-endo-scopes), ou pour les télécommunicationsdeviennent réalisables.

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Figure 9. Génération de microlentilles par mou-lage. À gauche : moule en silicium réalisé par gra-vure humide isotrope, au centre : microlentilles enpolymère répliquées à partir des moules, à droite :matrice de microlentilles en verre intégrées sur silicium.