Sur l'écran de l'ordinateur, la scène s'anime soudain. Un « actionneur » triangulaire commence un lent va-et-vient, poussant puis ramenant, l'extrémité d'une « poutre » placée à sa surface. À chaque fois que la pression s'exerce, celle-ci fléchit et se soulève conférant à une sorte de « miroir » rectangulaire un brusque mouvement de rotation. Lorsqu'elle se relâche, la plaque réfléchissante redescend et pivote instantanément vers sa position initiale. « Actionneur », « poutre » et « miroir », emportés dans une furieuse sarabande, s'agitent dans un paysage surréaliste fait d'un vaste ensemble de crevasses et de plateaux… La séquence digne de la science-fiction n'a pas été tournée dans un studio à Hollywood. Mais, plus près de nous, dans un laboratoire du Nord : l'Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN) du CNRS à Villeneuve-d'Ascq. Elle mériterait pourtant d'être montrée au cinéma : les entités se mouvant sur le moniteur trouveraient facilement leur place dans un film fantastique. D'autant qu'elles constituent un Mems (Micro-Electro-Mechanical Systems), l'une de ces machines futuristes dont la taille ne dépasse pas les cent millièmes de millimètre. Grossi une centaine fois à l'aide d'un microscope « Hi-Scope », l'ensemble de ce dispositif destiné à l'optique adaptative est plus petit qu'une bille de stylo !
Auteur de ces images virtuelles, Lionel Buchaillot dirige depuis trois ans la recherche sur ces minuscules engins au sein de l'IEMN, un centre, au départ, plutôt spécialisé dans la « microélectronique III-V », c'est-à-dire dans la mise au point de composants électroniques très rapides. Après un post-doc au laboratoire franco-japonais LIMMS (Laboratory for Integrated Micro-Mechatronics Systems) à Tokyo, ce mécanicien de formation a rejoint en 1998 le groupe « Microsystèmes silicium », fédérant des chercheurs des départements STIC et SPI1 du CNRS et récemment créé par le micro-électronicien Dominique Collard. Avec le physicien Bernard Legrand et huit doctorants, ils constituent à eux tous, l'un des pôles d'excellence du domaine des Mems en France. Leur credo ? Les micromachines en silicium, certes. Mais, surtout celles incorporant au moins un élément mobile ou vibrant : « C'est-à-dire, la catégorie des micro-objets conçus pour agir directement sur quelque chose : lumière, onde électromagnétique ou faible masse », explique Lionel Buchaillot. Pour mener à bien leurs travaux, 600 m² de salle blanche ont été rajoutés en 1999 aux 1000 déjà consacrés à la micro électronique au sein de l'IEMN. Là, protégés de la poussière ambiante par d'épais vitrages, chercheurs, ingénieurs, techniciens et doctorants disposent des équipements nécessaires à la réalisation des microcomposants en silicium. Lithographie optique et électronique, implantation ionique, dépôt de matériaux…
« En tout, trente étapes au minimum sont, en effet, nécessaires à la  fabrication d'un Mems, raconte Lionel Buchaillot. Et, comme il s'agit de microdispositifs originaux, chaque  nouveau procédé doit être validé comme un prototype ! » Dans ces locaux, sont nées les micromachines les plus diverses. Comme beaucoup des thèses sont cofinancées par le privé, les doctorants se consacrent à des applications à moyen terme, surtout destinées au domaine des télécommunications. Cela va du mini-interrupteur pour les radars à de nouveaux « filtres », des dispositifs qui permettent de sélectionner la longueur d'onde de fonctionnement d'un téléphone portable parmi toutes celles arrivant à son antenne. Ici, un « filtre-microsystème », constitué d'une « poutre » vibrante en silicium placée entre deux électrodes, est en cours de mise au point. « Intégré à l'électronique, il permettra d'économiser de l'énergie et de réduire d'environ 100 000 fois la surface actuellement dédiée à ce composant dans les téléphones : soit quelques millimètres carrés. »

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© L. Buchaillot/CNRS Photothèque

Piédestaux avec disque d'oxyde : les « filtres »
des téléphones portables permettent de sélectionner la longueur d'onde de fonctionnement de ces appareils parmi toutes celles arrivant à leurs antennes. Ceux en développement à l'IEMN sont économes en énergie et 100 000 fois plus petits que ceux actuellement sur le marché. Ils sont constitués de deux électrodes entre lesquelles les scientifiques disposent un «résonateur», un élément capable de vibrer à la fréquence du signal électrique que l'on souhaite filtrer. La réalisation de cette dernière pièce en forme de pointe nécessite plusieurs étapes. Dans une première phase, les spécialistes disposent des « masques », des disques d'oxyde de silicium, sur une surface en silicium monocristallin. Puis creusent celle-ci selon
un procédé dit de gravure ionique réactive isotrope.

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© L. Buchaillot/CNRS Photothèque

Rangée de pointes après deux oxydations : pour obtenir des pointes encore plus acérées, les chercheurs procèdent à deux reprises à une oxydation du piédestal de silicium.

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© L. Buchaillot/CNRS Photothèque

Réseau de demi-sphères procédé pointe : puis, la rangée de pointes ainsi obtenue est recouverte d'oxyde de silicium formant un réseau de demi-sphères.

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Mais toutes les micromachines de l'IEMN ne sont pas destinées à manipuler des ondes électromagnétiques. Certaines d'entre elles peuvent également agir sur des micro-objets de faible masse. Chevilles ouvrières de ces dispositifs high-tech, les « actionneurs » ont la propriété de se mouvoir sous l'effet d'un champ électrique, de la chaleur ou d'un courant. Astucieusement disposés les uns à côté des autres, ils peuvent déplacer des pièces plus imposantes. Grâce à eux, il est possible de réaliser des Mems destinés à équiper les appareils de haute précision utilisés, par exemple, pour la recherche dans le domaine des nanotechnologies. Ou encore, de mettre au point des micromachines intéressant la biologie. Comme cette minuscule pince qui s'ouvre et se referme, maintenant, sur l'écran de l'ordinateur de Lionel Buchaillot. Constituée de seize « actionneurs », d'une « poutre » et d'une série de pièces mobiles, elle sert à tester les propriétés mécaniques des cellules. Des indications qui, affirment les spécialistes, permettront de déterminer si elles sont saines. L'ensemble du micro-outil ne dépasse pas les huit-dixièmes de millimètre…

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© L. Buchaillot/CNRS Photothèque

Agrandissement d'une demi-sphère : chaque demi-sphère d'oxyde doit à nouveau être gravée de façon à ce que seule l'extrémité de la pointe qu'elle recouvre soit saillante. Seule cette partie sera, en effet, utilisée comme résonateur.

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© L. Buchaillot/CNRS Photothèque

Résonateur quatre carrés : tous les résonateurs
n'ont pas la forme d'une pointe. Quatre carrés de silicium monocristallin, excités par des forces électrostatiques, peuvent constituer un filtre électromécanique.

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© L. Buchaillot/CNRS Photothèque

Pince : micropince destinée à des applications biologiques. Elle permet de saisir des objets biologiques de la taille des cellules (environ 40 micromètres de diamètre). Le mécanisme est formé de véritables liaisons-pivots.

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Vahé Terminassian