ET MAINTENANT LE LASERGRAVE EN 3D

Grâce à un laser à impulsions ultracourtes, des microdispositifs combinant optique, fluidique et mécanique sont réalisés. Ce procédé peu coûteux permet de fabriquer des composants optiques, des laboratoires sur puce, des capteurs...

C'est un paradoxe auquel l'industrie des semi-conducteurs nous a habitués : pour fabriquer des systèmes ultraminiaturisés, il faut d'énormes équipements. Le projet européen Femtoprint propose de prendre le parti inverse : réaliser des microsystèmes avec une « imprimante ». Une machine qui tient sur une table, et dont le laser grave dans un matériau, en trois dimensions, des microdispositifs réunissant de l'optique, de la mécanique, et même des canaux pour faire circuler des fluides. Un premier prototype du Femtoprinter, mis au point par un consortium mené par l'université technologique d'Eindhoven (Pays-Bas), vient d'être présenté à Bruxelles, les 5 et 6 décembre, lors d'une convention européenne de l'innovation.

Cette imprimante laser hors norme permet de dessiner à l'intérieur d'un bloc de matière transparent des guides d'ondes tridimensionnels, qui guident la lumière comme des fibres optiques ; de creuser des microcanaux dans lesquels circuleront des fluides. Ou de combiner les deux actions pour effectuer une mesure dans le fluide. C'est un « labo sur puce » ! Il est aussi possible, en sculptant la matière, de fabriquer des microcapteurs de mouvement ou des actionneurs. Et même des pièces de micromécanique. « L'avantage est que l'on peut obtenir des géométries impossibles à réaliser par usinage abrasif traditionnel, sans passer par un outillage, car la technique est sans contact », remarque Maren Hörtsmann-Jungemann, chercheur à l'institut Fraunhofer ILT, spécialisé dans les procédés laser. Les chercheurs allemands développent une méthode de gravure baptisée In volume selective laser etching (Isle), qu'ils veulent industrialiser.

Comme le Femtoprinter, Isle utilise un laser à impulsions ultracourtes : quelques centaines de femtosecondes (une femtoseconde vaut 10-15 seconde). Du coup, avec des lasers dont la puissance moyenne ne dépasse pas quelques centaines de milliwatts, on obtient à chaque impulsion une densité de puissance phénoménale - des térawatts par centimètre carré ! Cette énergie est utilisée pour déclencher, dans des matériaux transparents, un phénomène d'absorption « non linéaire » qui modifie l'état de la matière. Comme ce phénomène ne se produit qu'au point de focalisation du laser, il permet d'agir à l'intérieur du bloc de matière, et d'y dessiner ainsi le motif 3D que l'on veut. « La grande force de la gravure par laser femtoseconde est qu'avec un seul procédé, on peut réaliser de multiples fonctions », avance Yves Bellouard, coordonnateur du projet Femtoprint à l'université technologique d'Eindhoven.

Dans certains cas, le dispositif est créé en une seule étape : c'est la gravure d'un guide d'ondes. Le laser modifie localement l'indice de réfraction, par exemple dans de la silice, et le balayage du faisceau suffit à creuser le chemin qui canalisera une onde lumineuse. Une technique pour fabriquer de microcomposants optiques, d'autant plus que le laser femto sait aussi générer d'autres fonctions, tels les nanoréseaux de diffraction obtenus à l'Optoelectronics research centre de l'université de Southampton, partenaire de Femtoprint, qui ont la propriété de manipuler la polarisation de la lumière. Toujours en modifiant l'indice de réfraction, on peut aussi effectuer un marquage dans la masse, par exemple pour lutter contre la contrefaçon.

La silice soumise à l'acide

La plupart des applications de la fabrication par femtolaser demandent une étape supplémentaire : la gravure chimique. Pour creuser des microcanaux, il ne suffit pas de les « dessiner » au laser. La pièce de silice est ensuite immergée dans un bain acide qui va dissoudre sélectivement la matière exposée. Les impulsions ultracourtes modifient la structure du matériau, si bien que l'action de l'acide sera des centaines de fois plus rapide sur la silice soumise au laser. Dans le saphir, la vitesse de gravure chimique est même multipliée par 10 000 par l'exposition au laser ! Les réseaux microfluidiques intéressent notamment la recherche médicale, pour manipuler et tester des quantités minimes de produits actifs. Mais l'idée la plus séduisante est de combiner microcanaux et guides d'ondes sur un support. Exemple : un laboratoire sur puce mis au point à l'université d'Eindhoven détecte les microalgues contenues dans une eau. L'échantillon de liquide circule dans un canal, croisé par un guide d'ondes : les modifications du signal optique qui traverse l'eau sont mesurées et donnent une classification qualitative des types d'algues présentes. Le tout est réalisé dans un bloc de silice, par un procédé qui peut moduler la taille et la forme des canaux en fonction de la détection à réaliser. « Il y a une forte demande sur ce type de systèmes optofluidiques, pour le médical, l'environnement... C'est sans doute là que l'on verra les premières applications pratiques », affirme Yves Bellouard.

En associant l'exposition au laser et la gravure chimique, les chercheurs font aussi de la mécanique. Ils sculptent de minuscules lames flexibles qui, une fois revêtues d'une électrode, se transforment en microcapteurs ou en micro-actionneurs. Ce que qui peut très bien être réalisé par les procédés de la microélectronique, mais avec des moyens beaucoup plus lourds. La mécanique, comme chacun sait, c'est le point fort des Allemands. L'institut Fraunhofer n'a pas dérogé, en utilisant son procédé Isle pour fabriquer de minuscules engrenages d'un millimètre de diamètre : la pièce est dessinée par l'exposition au laser, et seules les parties non exposées demeurent après gravure chimique. La précision - de l'ordre du micron - et la qualité de l'état de surface font qu'il est envisageable de produire d'un coup des ensembles mécaniques tout assemblés (une roue dentée et un engrenage, par exemple). « Une pièce d'horlogerie en rubis, matériau très dur, est réalisée en deux étapes, alors qu'il en faut parfois 30 par usinage traditionnel », indique Maren Hörtsmann-Jungemann.

Les possibilités ouvertes sont très stimulantes, mais le procédé peut-il fonctionner à des cadences industrielles ? La gravure par laser femtoseconde ne prétend pas rivaliser avec l'industrie des semi-conducteurs, qui fabrique des millions de pièces. Mais si le temps de cycle reste de l'ordre de la minute, la gravure 3D demeurera un instrument de laboratoire. Heureusement, il est possible d'accroître nettement sa productivité. Ainsi, le laboratoire d'Yves Bellouard, à Eindhoven, travaille sur la cadence des impulsions du laser (le « taux de répétition »). A priori, augmenter la cadence des impulsions devrait permettre d'« écrire » plus rapidement dans le matériau. Le laboratoire a montré qu'il existe des combinaisons optimales entre le taux de répétition et la vitesse de balayage du laser. Du coup, des vitesses d'écriture 20 fois supérieures à ce que réalise par exemple la start-up américaine Translume, qui fabrique des guides d'ondes par son procédé femtoWrite, sont envisageables.

L'autre paramètre clé de la productivité est la vitesse de balayage du laser. Le labo du Fraunhofer en a fait un axe de recherche privilégié. Il travaille avec un scanner qui balaye modestement 100 mm par seconde. Il existe des scanners qui travaillent à 3 m/s. Mais les chercheurs visent bien plus. « Nous construisons un système de balayage qui atteindra 300 m/s, et qui fonctionnera avec un laser femtoseconde de plusieurs centaines de watts, fourni par la start-up Amphos», annonce Maren Hörtsmann-Jungemann.

Un traitement par lots

Reste la gravure chimique. Sa vitesse peut sûrement être améliorée, mais ce n'est pas décisif, car les pièces, une fois exposées au laser, peuvent être traitées par lots. En revanche, la maîtrise du procédé chimique devra être affinée. « On a besoin de mieux comprendre quelle est la forme initiale qu'il faut dessiner pour obtenir la forme exacte en fin de procédé, précise Yves Bellouard. En tenant compte, par exemple, des points par lesquels on injecte la solution acide. Un peu comme le résultat de l'injection d'une pièce en plastique est conditionnée par le choix des points d'injection. »

Prendre conscience des problèmes de procédé n'empêche pas les chercheurs de se ménager encore de belles surprises. Ainsi, en accumulant l'énergie déposée en un point par des impulsions rapprochées, l'équipe d'Eindhoven a observé la création de microbulles dans un bloc de silice. Mieux, celles-ci ont tendance à s'organiser pour former des réseaux bi ou tridimensionnels bien alignés. Une curiosité qui pourrait donner naissance à de nouveaux composants optiques. Et qui intrigue les physiciens théoriciens.