Domaine technique de l'invention
[0001] L'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un composant horloger en silicium,
et plus précisément d'un composant horloger en silicium présentant un profil externe
fonctionnel.
Arrière-plan technologique
[0002] Les composants horlogers en silicium sont généralement fabriqués par gravure ionique
réactive profonde - technique également connue sous l'abréviation anglaise DRIE -
d'une plaquette de matériau à base de silicium. La plaquette peut être une plaquette
de silicium que l'on grave dans toute son épaisseur (cf. par exemple les demandes
de brevet
EP 1722281 ,
EP 2145857 et
EP 3181938 ) ou un substrat silicium sur isolant dit SOI (silicon on insulator) comprenant une
couche supérieure de silicium et une couche inférieure de silicium liées par une couche
intermédiaire d'oxyde de silicium, la couche supérieure de silicium étant celle dans
laquelle est opérée la gravure (cf. par exemple les demandes de brevet
WO 2019/180177 et
WO 2019/180596 ). Par rapport à une simple plaquette de silicium, le substrat silicium sur isolant
présente l'avantage de posséder un support rigide (la couche inférieure de silicium,
de plus grande épaisseur que la couche supérieure) facilitant sa manipulation et son
maintien et une couche d'arrêt (la couche intermédiaire d'oxyde de silicium) permettant
d'arrêter la gravure.
[0003] Quel que soit le type de plaquette utilisé, plusieurs composants sont gravés simultanément
dans la même plaquette et des attaches ou ponts laissés pendant la gravure maintiennent
les composants attachés à la plaquette pour d'autres étapes de la fabrication. Les
composants sont ensuite libérés de la plaquette par rupture ou élimination des attaches.
[0004] De telles attaches, qui relient la périphérie de chaque composant à la plaquette,
peuvent poser problème, notamment lorsque la périphérie du composant est une surface
fonctionnelle qui ne doit pas voir sa fonction perturbée par des résidus d'attache
ou lorsque la surface externe du composant doit présenter un aspect particulièrement
soigné, comme par exemple dans le cas d'une aiguille. Dans certains cas, également,
en particulier pour des composants portant une micro-denture, la surface extérieure
fonctionnelle ne présente pas d'espace libre de taille suffisante pour pouvoir y insérer
une attache suffisamment robuste.
[0005] La demande de brevet
WO 2019/166922 propose un procédé de fabrication d'un spiral horloger selon lequel on se munit d'un
substrat en silicium portant une couche d'oxyde de silicium, on forme des trous traversants
dans la couche d'oxyde de silicium, on fait croître par épitaxie une couche de silicium
sur la couche d'oxyde de silicium, cette couche de silicium remplissant les trous
traversants pour former des attaches ou ponts de matière, on grave des spiraux dans
la couche de silicium, on élimine la couche d'oxyde de silicium, les spiraux restant
attachés au substrat en silicium par lesdites attaches, on soumet les spiraux à des
traitements thermiques et enfin on détache les spiraux du substrat en silicium.
[0006] Avec un tel procédé, les spiraux restent liés au substrat après la gravure par des
attaches s'étendant hors du plan des spiraux plutôt qu'entre la surface extérieure
de la dernière spire et la couche de silicium de gravure comme cela est généralement
le cas. Cependant, ce procédé ne permet pas l'emploi de substrats silicium sur isolant
du commerce, et faire croître par épitaxie la couche de silicium dans laquelle seront
formés les spiraux est une opération compliquée.
[0007] La demande de brevet
WO 2019/166922 vise à résoudre ce problème et propose un procédé de fabrication d'un composant horloger
en silicium à partir d'un wafer SOI dans lequel le composant est rattaché à un ancrage
interne au contour du composant. Ainsi l'attache n'empiète pas sur le contour externe
fonctionnel du composant. Cependant ce procédé ne permet pas un travail de la face
arrière du composant, notamment pour des composants nécessitant un traitement de surface,
voire une décoration.
Résumé de l'invention
[0008] L'invention résout les inconvénients précités en proposant une solution permettant
de garder les composants attachés au wafer, y compris ceux ne permettant pas de ménager
une attache sur leur contour externe, tout en dégageant la face arrière pour pouvoir
la travailler et/ou la décorer.
[0009] A cet effet, la présente invention concerne un procédé de fabrication d'un composant
horloger en silicium comprenant des étapes suivantes :
- a) se munir d'un wafer SOI comprenant successivement une couche de silicium dite «
device », une couche de liaison en oxyde de silicium, et une couche de silicium dite
« handle » ;
- b) faire croître une couche d'oxyde de silicium à la surface du wafer ;
- c) graver la couche d'oxyde de silicium (masque de gravure) en face, puis la couche
« device » par DRIE, pour former le composant horloger en silicium ainsi qu'un élément
d'ancrage interne et un pont de matière reliant ledit élément d'ancrage à une paroi
interne du composant horloger dans une zone du contour intérieur non critique;
- d) graver la couche d'oxyde de silicium (masque de gravure) en face arrière, puis
la couche « handle » par DRIE, pour former au moins un pont étroit ainsi qu'au moins
un ancrage arrière solidaire de l'au moins un pont étroit, l'ancrage arrière étant
relié à l'élément d'ancrage de la couche « device » par la couche d'oxyde de silicium
liant « device » et « handle »;
- e) libérer le composant horloger par le biais d'une gravure humide, le composant horloger
étant maintenu au wafer par l'élément d'ancrage via le pont de matière, la couche
d'oxyde de liaison n'étant plus présente que là où et la couche « device » et la couche
« handle » n'ont pas été attaquées par la gravure humide, le tout reposant sur l'au
moins un ancrage arrière relié à l'au moins un pont étroit lui-même relié à la couche
« handle ».
[0010] Conformément à d'autres variantes avantageuses de l'invention :
- la paroi interne du composant horloger est la paroi d'un trou agencé pour recevoir
un axe ou une ouverture interne au composant ;
- la couche de liaison en oxyde de silicium est partiellement présente entre l'élément
d'ancrage et l'ancrage arrière à la fin de l'étape e) ;
- le pont étroit et le pont de matière ne sont pas superposés ;
- au cours de l'étape d), on forme également un shadow mask intégré lors de la gravure
DRIE de la couche « handle » de manière à réaliser un motif délibéré et volontaire
d'ouvertures en face arrière, lesdites ouvertures permettant un décor élaboré par
dépôt CVD ou PVD ;
- le procédé comprend une étape f) de finition en wafer des faces avant et/ou arrière
du composant horloger, l"étape de finition consistant en un dépôt de couches, de structuration
et/ou de décoration par exemple ;
- le composant horloger est une roue, une came, une aiguille, une bascule, un limaçon,
un index ou une applique.
[0011] L'invention concerne également un composant horloger obtenu par la mise en oeuvre
d'un procédé de fabrication d'un composant horloger conforme à l'invention.
[0012] On comprend donc que le procédé permet d'avoir accès à la face arrière des composants
horlogers attachés au wafer pour pouvoir la travailler et/ou la décorer.
Brève description des figures
[0013] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de
la description détaillée suivante donnée à titre d'exemple nullement limitatif, en
référence aux dessins annexés dans lesquels :
- les figures 1a et 1b représentent respectivement une vue en perspective d'un composant
en silicium solidaire de la couche « device » et une vue en perspective de la couche
« handle »;
- les figures 2a et 2b représentent respectivement une vue en perspective de dessus
et de dessous d'un composant en silicium formé dans un wafer SOI.
Description détaillée de l'invention
[0014] L'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un composant horloger en silicium,
et plus particulièrement un composant horloger en silicium dont le profil externe
est fonctionnel.
[0015] Par profil externe fonctionnel, on entend un composant horloger dont le pourtour
extérieur du composant forme une surface fonctionnelle agencée pour coopérer avec
d'autres pièces et/ou composants horlogers.
[0016] L'utilisation d'un matériau, à base de silicium, pour la fabrication d'un composant
horloger offre l'avantage d'être précis par les méthodes de gravage existantes et
de posséder de bonnes propriétés mécaniques et chimiques en étant notamment peu ou
pas sensible aux champs magnétiques.
[0017] Préférentiellement, le matériau à base de silicium utilisé peut être du silicium
monocristallin quelle que soit son orientation cristalline. Bien entendu d'autres
composés à base de silicium ou d'autres matériaux peuvent être envisagés comme un
verre, une céramique, un cermet, un métal ou un alliage métallique. Par simplification,
l'explication ci-dessous sera portée sur un matériau à base de silicium.
[0018] Ainsi, l'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un composant horloger
silicium 1. D'autres composants horlogers peuvent être fabriqués via le procédé selon
l'invention, tels qu'une roue dentée, une roue d'échappement, une bascule, un limaçon,
etc ... Un tel procédé peut également être envisagé pour la fabrication d'aiguilles,
d'index ou encore d'appliques qui nécessitent un état de surface extérieur le plus
soigné possible.
[0019] Selon l'invention, le procédé comporte, comme illustré à la figure 2, une première
étape a) qui consiste à se munir de wafers SOI 10, c'est-à-dire composés de deux couches
de silicium 11 et 12, liées l'une à l'autre par une couche d'oxyde de silicium 13.
Chacune de ces trois couches a un ou des rôles bien précis.
[0020] La couche supérieure de silicium 11, nommée "device" et formée dans une plaque de
silicium monocristallin (dont les orientations principales peuvent être variées),
comporte une épaisseur qui va déterminer l'épaisseur finale du composant à fabriquer,
typiquement, en horlogerie, entre 100 et 200µm.
[0021] La couche inférieure de silicium 12, nommée "handle", sert essentiellement de support
mécanique, de façon à pouvoir effectuer le procédé sur un ensemble suffisamment rigide
(ce que l'épaisseur réduite du "device" n'est pas en mesure de garantir). Elle est
également formée d'une plaque de silicium monocristallin, en général d'une orientation
similaire à la couche "device".
[0022] La couche d'oxyde 13 permet de lier intimement les deux couches de silicium 11 et
12. En outre, elle va également servir de couche d'arrêt lors d'opérations ultérieures.
[0023] L'étape b) qui suit consiste à faire croître à la surface du ou des wafers 10 une
couche d'oxyde de silicium, en exposant le ou les wafers à une atmosphère oxydante
à haute température. La couche varie selon l'épaisseur du « device » à structurer.
Elle se situe typiquement entre 1 et 4µm. Bien entendu d'autres techniques peuvent
être utilisées, pour former un masque de gravure, une couche de résine, comme à l'étape
suivante c), peut suffire, et que si on utilise de l'oxyde, celui-ci peut être déposé
et non crû.
[0024] L'étape c) du procédé, va permettre de définir, par exemple dans une résine positive,
les motifs que l'on souhaite réaliser par la suite dans le wafer 10 en silicium. Cette
étape comprend les opérations suivantes :
- la résine est déposée, par exemple à la tournette, en une couche très mince d'épaisseur
typiquement comprise entre 1 et 2µm,
- une fois séchée, cette résine, aux propriétés photolithographiques, est exposée à
travers un masque photolithographique (plaque transparente recouverte d'une couche
de chrome, elle-même représentant les motifs souhaités) à l'aide d'une source lumineuse
;
- dans le cas précis d'une résine positive, les zones exposées de la résine sont ensuite
éliminées au moyen d'un solvant, révélant alors la couche d'oxyde. En l'occurrence,
les zones toujours recouvertes de résine définissent les zones que l'on ne souhaite
pas voir attaquées dans l'opération ultérieure de gravage ionique réactif profond
(également connu sous l'abréviation « D.R.I.E. ») du silicium.
[0025] Au cours de l'étape c), on exploite alors les zones exposées ou au contraire recouvertes
de résine. Un premier processus de gravure permet de transférer dans l'oxyde de silicium
préalablement crû, les motifs définis dans la résine aux étapes précédentes. Toujours
dans une optique de répétabilité du processus de fabrication, l'oxyde de silicium
est structuré par une gravure sèche par plasma, directionnelle et reproduisant la
qualité des flancs de la résine servant de masque pour cette opération.
[0026] Une fois l'oxyde de silicium gravé dans les zones ouvertes de la résine, la surface
de silicium de la couche supérieure 11 est alors exposée et prête pour une gravure
DRIE. La résine peut être conservée ou non selon qu'on souhaite employer la résine
comme masque supplémentaire lors de la gravure DRIE.
[0027] Le silicium exposé et non protégé par l'oxyde de silicium est gravé selon une direction
perpendiculaire à la surface du wafer (gravure anisotrope DRIE Bosch
®). Les motifs formés d'abord dans la résine, puis dans l'oxyde de silicium, sont "projetés"
dans l'épaisseur de la couche "device" 11.
[0028] Lorsque la gravure débouche sur la couche d'oxyde de silicium 13 liant les deux couches
de silicium 11 et 12, la gravure s'arrête. En effet, à l'instar de l'oxyde de silicium
servant de masque lors du processus Bosch
® et résistant à la gravure elle-même, la couche d'oxyde enterrée 13, de même nature,
y résiste également.
[0029] La couche de silicium "device" 11 est alors structurée dans toute son épaisseur par
les motifs définis représentant les composants à fabriquer, maintenant révélés par
cette gravure DRIE à savoir une came 1 dans l'exemple illustré.
[0030] Les composants restent solidaires de la couche "handle" 12 à laquelle ils sont liés
par la couche d'oxyde de silicium enterrée 13. Au cours de cette étape c), une partie
de la couche supérieure de silicium 2 est gravée de manière à former un élément d'ancrage
interne au composant horloger, ainsi qu'un pont de matière 8 reliant cet élément d'ancrage
7 à la paroi interne du composant horloger 1, dans une zone non critique de la paroi
interne du composant.
[0031] Dans l'exemple illustré, la paroi interne du composant horloger est la paroi d'un
trou agencé pour recevoir un axe. Le trou, de forme, permet au résidu d'attache de
ne pas interférer avec l'arbre coopérant avec la planche en silicium. La paroi interne
pourrait être une autre ouverture interne au composant, par exemple si celui-ci est
squeletté.
[0032] Bien entendu, le procédé ne saurait se limiter à une gravure DRIE lors de l'étape
c). A titre d'exemple, le gravage de l'étape c) pourrait tout aussi bien être obtenue
par un gravage chimique dans un même matériau à base de silicium.
[0033] Lors de l'étape c), plusieurs cames peuvent être formées dans le même wafer.
[0034] Lors de l'étape d), une seconde opération de photolithographie similaire à la première
réalisée lors de l'étape c) est réalisée au dos du wafer 10 (donc côté couche « handle
» 12). Pour ce faire le wafer 10 est retourné, la résine y est déposée, puis exposée
à travers un masque. Au cours de cette seconde opération de photolithographie, au
moins un pont étroit 9 est formé au travers de l'arrière du composant horloger ainsi
qu'un ancrage arrière 9' solidaire de l'au moins un pont étroit 9, l'ancrage arrière
9' étant relié à l'élément d'ancrage 7 de la couche « device » par la couche d'oxyde
de silicium liant la couche « device » et la couche « handle ».
[0035] Selon l'invention, on forme également un shadow mask intégré lors de la gravure DRIE
de la couche « handle » au cours de l'étape d), de manière à réaliser un motif délibéré
et volontaire d'ouvertures en face arrière, lesdites ouvertures permettant alors de
créer un décor élaboré par dépôt CVD ou PVD lors d'une étape ultérieure.
[0036] La zone de la résine exposée est ensuite éliminée au moyen d'un solvant, révélant
alors la couche d'oxyde formée précédemment et servant de masque à la une gravure
sèche profonde, telle qu'une gravure DRIE, laquelle permet de faire apparaitre l'au
moins un pont étroit 9, l'ancrage arrière 9' et le shadow mask.
[0037] Lors de l'étape e) pour libérer complètement les composants, les diverses couches
d'oxyde de silicium sont alors gravées par le biais d'une gravure humide avec une
solution à base d'acide fluorhydrique ou encore par de l'acide fluorhydrique en phase
vapeur. Avantageusement, les cames 1 formées sont maintenues à l'élément d'ancrage
via le pont de matière 8, et le tout reposant sur l'ancrage arrière relié à l'au moins
un pont étroit lui-même relié à un cadre formé dans la couche « handle ».
[0038] Selon une étape optionnelle du procédé, l'étape f) consiste à faire subir diverses
opérations de terminaison de surface à la pièce libérée et encore tenue par l'attache.
Ainsi les faces avant, arrière et/ ou latérales du composant horloger peuvent être
travaillées alors que le composant est toujours maintenu au wafer. L'étape de finition
peut consister en un dépôt de couches, de structuration ou de décoration sur les différentes
faces du composant horloger. Ces opérations sont à caractère fonctionnel (renfort,
tribologique,...) ou esthétique (coloration, motif), par PVD ou CVD.
[0039] Au cours de cette étape le motif élaboré au cours de l'étape d) via le shadow mask
est également décorées via des dépôts CVD ou PVD
[0040] On obtient ainsi la came 1 comme illustrée aux figures 1a et 1b qui, avantageusement
selon l'invention, comporte une âme à base de silicium et un revêtement à base d'oxyde
de silicium.
[0041] Avantageusement selon l'invention, il est ainsi possible de fabriquer sans plus de
complexité un composant horloger 1 comportant un profil externe fonctionnel.
[0042] Enfin, le procédé peut également comporter l'étape h) destinée à séparer les composant
horloger 1 du wafer 10 en séparant le composant 1 de son élément d'ancrage 8.
[0043] Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à l'exemple illustré, c'est-à-dire
la réalisation d'une came, mais est susceptible de diverses variantes et modifications
qui apparaîtront à l'homme de l'art.
1. Procédé de fabrication d'un composant horloger (10) en silicium
caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
a) se munir d'un wafer SOI (10) comprenant successivement une couche de silicium dite
« device » (11), une couche de liaison (13) en oxyde de silicium, et une couche de
silicium dite « handle » (12);
b) faire croître une couche d'oxyde de silicium à la surface du wafer (10) ;
c) graver la couche d'oxyde de silicium en face avant puis la couche « device » (11)
par DRIE, pour former le composant horloger (1) en silicium ainsi qu'un élément d'ancrage
interne (7) et un pont de matière (8) reliant ledit élément d'ancrage à une paroi
interne du composant horloger dans une zone non critique de la paroi interne ;
d) graver la couche d'oxyde de silicium en face arrière puis la couche « handle »
par DRIE, (12) pour former au moins un pont étroit (9) ainsi qu'au moins un ancrage
arrière (9') solidaire de l'au moins un pont étroit (9), l'ancrage arrière (9') étant
relié à l'élément d'ancrage (7) de la couche « device » par la couche de liaison (13)
en oxyde de silicium liant les couches « device » et « handle » ;
e) libérer le composant horloger (1) via une gravure humide, le composant horloger
(1) étant maintenu au wafer (10) par l'élément d'ancrage (7) via le pont de matière
(8), , la couche d'oxyde de liaison n'étant plus présente que là où et la couche «
device » et la couche « handle » n'ont pas été attaquées par la gravure humide, le
tout reposant sur l'au moins un ancrage arrière (9') relié à l'au moins un pont étroit
(9) lui-même relié à la couche « handle » de manière à rendre accessible toutes les
faces du composant.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la paroi interne du composant horloger
(1) est la paroi d'un trou agencé pour recevoir un axe ou la paroi d'une ouverture
interne au composant.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la couche de liaison (13)
en oxyde de silicium est partiellement présente entre l'élément d'ancrage (7) et l'ancrage
arrière (9') à la fin de l'étape e).
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le pont étroit (9) et le
pont de matière (8) ne sont pas superposés.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au cours de l'étape d), on forme également un shadow mask intégré lors de la gravure
DRIE de la couche « handle » de manière à réaliser un motif délibéré et volontaire
d'ouvertures en face arrière, lesdites ouvertures permettant un décor élaboré par
dépôt.
6. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une étape f) de finition en wafer des faces avant, arrière et/ou latérales
du composant horloger (1), l"étape de finition consistant en un dépôt de couches,
de structuration et/ou de décoration par exemple.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le composant horloger est
une roue, une came, une aiguille, une bascule, un limaçon, un index ou une applique.
8. Composant horloger (1) obtenu par la mise en oeuvre d'un procédé de fabrication d'un
composant horloger (1) selon l'une des revendications 1 à 7.