Une équipe de chercheurs franco-allemands vient de mettre au point une nouvelle technique d'usinage des matériaux à l'échelle micrométrique et submicrométrique : le micro usinage électrochimique. Elle consiste à reproduire, directement et sans application d'un masque, la forme d'une électrode-outil sur une pièce à usiner. La méthode repose sur la localisation d'une réaction électrochimique (dissolution ou dépôt) au voisinage immédiat de l'outil par application d'impulsions de tension ultra courtes d'une durée de quelques nanosecondes. Un contrôle tridimensionnel de l'outil permet d'usiner tout matériau conducteur ou semi-conducteur avec une précision largement inférieure au µm (micromètre). Ces travaux, auxquels a participé Philippe Allongue, directeur de recherche au CNRS, laboratoire de Physique des Liquides et Electrochimie (CNRS - Paris), sont publiés dans Science le 7 juillet 2000.

L'usinage des matériaux à l'échelle micrométrique et sub-micrométrique est considéré comme l'une des technologies clefs du futur pour fabriquer des dispositifs miniaturisés en biologie, en médecine, pour les mécanismes de commande ou les micro réacteurs chimiques.

Plusieurs techniques d'usinage existent déjà. La lithographie est sans aucun doute la plus connue car elle est largement employée dans l'industrie microélectronique. Quelle que soit la méthode employée, l'usinage consiste à répliquer un motif à l'aide d'un masque de transfert. Cela requiert plusieurs étapes plus ou moins complexes selon les dimensions latérales du motif et la précision désirée. Les techniques de lithographie sont très bien maîtrisées puisque l'on approche une largeur de trait ~ 0.3 µm en production. La lithographie permet cependant la réalisation de structures qui sont essentiellement bidimensionnelles.

Dans le cas particulier du silicium, il est possible de construire des structures tridimensionnelles par gravure chimique anisotrope en solution couplée à des étapes de gravure plasma. De multiples étapes technologiques plus ou moins complexes (masquage, implantation ionique, wafer bonding etc.) sont néanmoins nécessaires à la réalisation de ce type de structures. La forme des cavités reste, en outre, largement imposée par la réactivité du cristal vis-à-vis des solutions de gravure qui révèlent certains plans cristallins. L'usinage tridimensionnel des métaux ne peut actuellement être mis en œuvre avec cette technique.

Le micro usinage électrochimique est une technique entièrement nouvelle qui repose sur une idée très simple. La méthode consiste à appliquer des impulsions de potentiel entre deux conducteurs immergés dans une solution électrolytique et connectés à un potentiostat. Le courant transitoire qui apparaît, traduit l'existence de la capacité de double couche électrochimique (C) à chacune des interfaces conducteur / électrolyte. Il en résulte une distribution spatiale du potentiel entre les deux électrodes car la constante de temps t ~ r L C dépend du chemin suivi par les lignes de courant (r est la résistivité de la solution, L la distance entre deux points pris sur l'une et l'autre électrode et C la capacité de double couche) : on voit que t augmente avec la distance L. Ainsi, avec une résistivité de solution de r = 30 W.cm, C = 10 µF/cm² (microfarad/cm²) pour des électrodes métalliques et une impulsion de durée t ~ 30 ns, les électrodes ne seront totalement polarisées que dans les régions distantes de moins de ~ 1 µm entre l'une et l'autre électrode. Au-delà, la double couche ne sera que partiellement déchargée voire pas du tout.

Le micro usinage électrochimique tient au fait que la réaction électrochimique devient localisée sur la même distance L ~ 1 µm, parce que la cinétique d'une réaction électrochimique dépend exponentiellement de la chute de tension aux bornes de la double couche. Celle-ci n'est égale à la tension appliquée extérieurement que lorsque la double couche est entièrement déchargée. En d'autres termes, en régime transitoire la chute de tension n'est établie que pour des distances L < t / r C. Au delà de cette distance aucune réaction ne peut avoir lieu.

Ce nouveau procédé de micro usinage offre la possibilité de réaliser des structures tridimensionnelles, sans application d'un masque, sur tout métal et tout semi-conducteur. Il doit également permettre d'atteindre une précision d'usinage de l'ordre de 10 nm (nanomètres) avec des impulsions de 100 ps (picosecondes) avec un électrolyte 0.3 M (molaire).

Références : Electrochemical Micromachining, Rolf Schuster, Viola Kirchner, Philippe Allongue, et Gerhard Ertl, Science, 7 juillet 2000.

Rolf Schuster, Viola Kirchner, Philippe Allongue, et Gerhard Ertl