CH701988A2

CH701988A2 - Method for manufacturing oblique cavity in silicon layer of wheel in clock industry, involves oxidizing silicon layer to transform each protected zone into silicon dioxide layer, and separating single cavity from silicon layer

Info

Publication number: CH701988A2
Application number: CH15492009A
Authority: CH
Inventors: Pierre Cusin; Jean-Philippe Thiebaud
Original assignee: Nivarox Sa
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2009-10-07
Publication date: 2011-04-15
Also published as: CH701988B1

Abstract

L’invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un évidement (19) oblique dans une couche (11) de silicium comportant les étapes consistant à: a) se munir d’un substrat comportant une couche (11) de silicium; b) former un masque sur la couche (11) de silicium afin de former des parties non protégées et une zone protégée entre chaque partie non protégée. Selon l’invention, le procédé comporte en plus les étapes suivantes: c) graver lesdites parties non protégées de la couche (11) de silicium à des profondeurs différentes; d) retirer le masque; e) oxyder thermiquement la couche (11) de silicium afin de transformer chaque zone protégée en dioxyde de silicium; f) retirer la couche (18) de dioxyde de silicium afin de laisser un évidement (19) unique dans la couche (11) de silicium dont le fond (20) est oblique. L’invention concerne le domaine des fabrications de pièces en matériau micro-usinable.The invention relates to a method of manufacturing an oblique recess (19) in a layer (11) of silicon comprising the steps of: a) providing a substrate comprising a layer (11) of silicon; b) forming a mask on the silicon layer (11) to form unprotected portions and a protected area between each unprotected portion. According to the invention, the method further comprises the following steps: c) etching said unprotected portions of the silicon layer (11) at different depths; d) remove the mask; e) thermally oxidizing the silicon layer (11) to transform each protected area into silicon dioxide; f) removing the layer (18) of silicon dioxide to leave a recess (19) unique in the layer (11) of silicon whose bottom (20) is oblique. The invention relates to the field of manufacture of parts made of micro-machinable material.

Description

Domaine de l’inventionField of the invention

[0001] L’invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un évidement oblique dans une couche de silicium et, plus particulièrement, une telle couche utilisée pour former une pièce de micromécanique. The invention relates to a method of manufacturing an oblique recess in a silicon layer and, more particularly, such a layer used to form a micromechanical part.

Arrière plan de l’inventionBackground of the invention

[0002] Il est connu de fabriquer des roues en silicium cristallin. En effet, grâce aux procédés développés en microélectronique pour la fabrication de processeurs, il est désormais possible de graver des plaquettes de silicium selon des précisions s’accordant notamment aux dimensions requises pour un rouage d’horlogerie. A cet effet, on utilise généralement un gravage anisotrope du type ionique réactif profond (connu également sous l’abréviation anglaise «D.R.I.E.»). Cependant, l’avantage de la verticalité d’un tel gravage anisotrope entraîne également son défaut, c’est-à-dire que le fond du gravage est plan. Or, selon certaines applications horlogères ou, plus généralement, certaines pièces de micromécanique, une pente dans le fond de la gravure est souhaitée. It is known to manufacture crystalline silicon wheels. Indeed, thanks to the processes developed in microelectronics for the manufacture of processors, it is now possible to engrave silicon wafers according to specifications agreeing in particular to the dimensions required for a watchwheel. For this purpose, anisotropic etching of the deep reactive ionic type (also known by the abbreviation "D.R.I.E.") is generally used. However, the advantage of the verticality of such anisotropic etching also causes its defect, that is to say that the background of the etching is plane. However, according to certain horological applications or, more generally, some micromechanical parts, a slope in the bottom of the etching is desired.

Résumé de l’inventionSummary of the invention

[0003] Le but de la présente invention est de pallier tout ou partie les inconvénients cités précédemment en proposant un procédé de fabrication d’un évidement oblique dans une couche de silicium. The object of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages mentioned above by providing a method of manufacturing an oblique recess in a silicon layer.

[0004] A cet effet, l’invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un évidement oblique dans une couche de silicium comportant les étapes consistant à: a) se munir d’un substrat comportant une couche de silicium; b) former un masque sur la couche de silicium afin de former des parties non protégées et une zone protégée entre chaque partie non protégée; caractérisé en ce qu’il comporte en plus les étapes suivantes: c) graver lesdites parties non protégées de la de silicium à des profondeurs différentes; d) retirer le masque; e) oxyder thermiquement la couche de silicium afin de transformer chaque zone protégée en dioxyde de silicium; f) retirer la couche de dioxyde de silicium afin de laisser un évidement unique dans la couche de silicium dont le fond est oblique. For this purpose, the invention relates to a method of manufacturing an oblique recess in a silicon layer comprising the steps of: a) providing a substrate comprising a silicon layer; b) forming a mask on the silicon layer to form unprotected portions and a protected area between each unprotected portion; characterized in that it further comprises the following steps: c) etching said unprotected portions of the silicon at different depths; d) remove the mask; e) thermally oxidizing the silicon layer to transform each protected area into silicon dioxide; f) removing the silicon dioxide layer to leave a single recess in the silicon layer whose bottom is oblique.

[0005] On comprend donc que le fond est rendu oblique par la différence de niveau de gravage dans le silicium puis le nivellement par l’oxydation thermique, le gravage et l’oxydation étant des processus très précis. Il devient donc possible de réaliser des pièces de micromécaniques en silicium dont le fond n’est pas plan. It is therefore understood that the bottom is made oblique by the difference in level of etching in silicon and the leveling by thermal oxidation, etching and oxidation being very precise processes. It thus becomes possible to produce silicon micromechanical parts whose bottom is not plane.

[0006] Selon l’invention, plus la profondeur de gravage souhaitée de la partie non protégée lors de l’étape c) est grande, plus la section trouée formée lors de l’étape b) dans le masque est grande afin de graver en une fois lesdites parties non protèges par dépendance des facteurs d’aspect des gravures. On comprend donc que le fond de la pièce en silicium est rendu oblique par un gravage unique dans le silicium en obtenant directement les différences de profondeur voulues. According to the invention, the larger the desired etching depth of the unprotected portion in step c), the larger the hole section formed in step b) in the mask is large to burn in once said parts not protected by dependence of the aspect factors of the engravings. It is therefore clear that the bottom of the silicon part is made oblique by a single etching in the silicon by directly obtaining the desired depth differences.

[0007] Conformément à d’autres caractéristiques avantageuses de l’invention: une première série de sections trouées dans le masque est distribuée sur une même direction, lesdites sections trouées augmentant de surface consécutivement afin de former une pente dans le fond de l’évidement; la première série comporte au moins deux sections trouées adjacentes de même surface afin de former un palier dans le fond de l’évidement; une deuxième série de sections trouées dans le masque est en prolongement de ladite première série, lesdites sections trouées de la deuxième série diminuant de surface consécutivement afin de former un point d’inflexion dans le fond de l’évidement; la deuxième série comporte au moins deux sections trouées adjacentes de même surface afin de former un palier dans le fond de l’évidement; chaque série de sections trouées forme un plan répété selon une translation dans au moins une direction afin de former un évidement symétrique dans ladite couche; chaque série de sections trouées forme un plan répété selon une rotation au moins partielle afin de former un évidement symétrique dans ladite couche; plusieurs évidements obliques sont réalisés dans la même couche de silicium.According to other advantageous features of the invention: a first series of sections holed in the mask is distributed in the same direction, said perforated sections increasing in area consecutively so as to form a slope in the bottom of the recess; the first series comprises at least two adjacent perforated sections of the same surface to form a bearing in the bottom of the recess; a second series of sections holed in the mask is an extension of said first series, said perforated sections of the second series decreasing in area consecutively so as to form a point of inflection in the bottom of the recess; the second series comprises at least two adjacent perforated sections of the same surface in order to form a bearing in the bottom of the recess; each series of perforated sections forms a plane repeated in translation in at least one direction to form a symmetrical recess in said layer; each series of perforated sections forms a repeated plane in at least partial rotation to form a symmetrical recess in said layer; several oblique recesses are made in the same silicon layer.

Description sommaire des dessinsBrief description of the drawings

[0008] D’autres particularités et avantages ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: <tb>- les fig. 1 à 5<sep>sont des représentations successives d’étapes du procédé selon l’invention; <tb>- les fig. 6 à 8<sep>sont des représentations similaires à la fig. 5 de variantes selon l’invention; <tb>- les fig. 9 à 11<sep>sont des représentations des variantes de symétrie selon l’invention; <tb>- la fig. 12<sep>est un schéma fonctionnel du procédé selon l’invention.Other features and advantages will become apparent from the description which is given below, for information only and in no way limitative, with reference to the accompanying drawings, in which: <tb> - figs. 1 to 5 <sep> are successive representations of steps of the process according to the invention; <tb> - figs. 6 to 8 <sep> are similar representations in FIG. 5 variants according to the invention; <tb> - figs. 9 to 11 <sep> are representations of the symmetry variants according to the invention; <tb> - fig. 12 <sep> is a block diagram of the process according to the invention.

Description détaillée des modes de réalisation préférésDetailed Description of the Preferred Embodiments

[0009] Comme illustré à la fig. 12, on peut voir un schéma fonctionnel du procédé 1 destiné à réaliser une gravure dans une couche de silicium cristallin dont le fond est oblique, c’est-à-dire non plan. La première étape 2 du procédé 1 consiste à se munir d’un substrat 9 comportant une couche 11 de silicium cristallin. As illustrated in FIG. 12, we can see a block diagram of the method 1 for performing etching in a crystalline silicon layer whose bottom is oblique, that is to say non-plane. The first step 2 of method 1 consists in providing a substrate 9 comprising a layer 11 of crystalline silicon.

[0010] La deuxième étape 3 du procédé 1 consiste à former un masque 13 sur la couche 11. Ce masque 13 est destinée former des parties non protégées 10, 10 ́, 10 ́ ́, 10 ́ ́ ́ séparées par une zone protégée 12, 12 ́, 12 ́ ́ sur la face supérieure de la couche 11. En effet, les parties non protégées 10, 10 ́, 10 ́ ́, 10 ́ ́ ́ subiront l’attaque lors de la troisième étape 4 afin d’être gravées. Le masque 13 peut être formé à partir de différents matériaux. The second step 3 of the method 1 consists in forming a mask 13 on the layer 11. This mask 13 is intended to form unprotected portions 10, 10, 10, 10 separated by a protected area 12 , 12, 12 on the upper face of the layer 11. Indeed, the unprotected portions 10, 10, 10, 10 will undergo the attack during the third step 4 to be engraved. The mask 13 can be formed from different materials.

[0011] Préférentiellement, le masque 13 est formé à l’aide d’une résine photosensible 14. Ainsi, dans un premier temps, la résine 14 est déposée comme illustré à la fig. 1sur la couche 11 par exemple à la tournette. Puis, dans un deuxième temps, elle est sélectivement exposée à un rayonnement, par exemple à l’aide d’un masque M partiellement opaque audit rayonnement, afin de former précisément les parties non protégées 10, 10 ́, 10 ́ ́, 10 ́ ́ ́ et, incidemment, les zones protégées 12, 12 ́, 12 ́ ́ et le cadre extérieur du masque 13. Enfin, dans un troisième temps, ladite résine 14 est développée afin de former le masque 13 comme illustré à la fig. 2. De manière équivalente, la résine photosensible 14 peut être du type positif ou négatif. Preferably, the mask 13 is formed using a photosensitive resin 14. Thus, in a first step, the resin 14 is deposited as illustrated in FIG. 1on the layer 11 for example by spinning. Then, in a second step, it is selectively exposed to radiation, for example using a mask M partially opaque to said radiation, in order to precisely form the unprotected portions 10, 10, 10, 10 And, incidentally, the protected areas 12, 12, 12 and the outer frame of the mask 13. Finally, in a third step, said resin 14 is developed to form the mask 13 as illustrated in FIG. 2. Equivalently, the photoresist 14 may be of the positive or negative type.

[0012] Le procédé 1 comporte ensuite une troisième étape 4 consistant à graver lesdites parties non protégées 10, 10 ́, 10 ́ ́, 10 ́ ́ ́ de la couche 11 de silicium à des profondeurs différentes comme illustré à la fig. 3. On peut voir à la fig. 3que chaque partie non protégée 10, 10 ́, 10 ́ ́, 10 ́ ́ ́ correspond à une gravure 15, 15 ́, 15 ́ ́, 15 ́ ́ ́ de profondeur respective p1 p2, p3, p4 différente pour chaque fond 16, 16 ́, 16 ́ ́, 16 ́ ́ ́. De manière préférée, le gravage est effectué par une attaque sèche du type gravage ionique réactif profond (D.R.I.E.). Ensuite, dans une quatrième étape 5 du procédé 1, le masque 13 est retiré de la couche 11 gravée comme illustré à la fig. 3. The method 1 then comprises a third step 4 of etching said unprotected portions 10, 10, 10, 10 of the silicon layer 11 at different depths as shown in FIG. 3. We can see in fig. 3que each unprotected portion 10, 10, 10, 10 corresponds to an etching 15, 15, 15, 15 respective depth p1 p2, p3, p4 different for each bottom 16, 16, 16, 16. In a preferred manner, the etching is carried out by a dry etching of the deep reactive ion etching (D.R.I.E.) type. Then, in a fourth step 5 of the method 1, the mask 13 is removed from the etched layer 11 as illustrated in FIG. 3.

[0013] Préférentiellement, afin de pouvoir graver en une fois lesdites parties non protégées à des profondeurs p1, p2, p3, p4 différentes, on utilise la dépendance des facteurs d’aspect des gravures 15, 15 ́, 15 ́ ́, 15 ́ ́ ́. En effet, ladite dépendance fait que plus la section trouée s1, s2, s3, s4 formée dans le masque 13, lors de l’étape 3, est grande, plus la profondeur p1, p2, p3, p4 de gravage de la partie non protégée 10, 10 ́, 10 ́ ́, 10 ́ ́ ́, lors de l’étape 4, est grande. Ainsi, dans l’exemple illustré aux fig. 2et 3, on peut voir un exemple de ce mode préféré. Preferably, in order to burn at once said unprotected portions to different depths p1, p2, p3, p4, the dependence of the aspect factors of the engravings 15, 15, 15, 15 is used. . Indeed, said dependence makes that the more the perforated section s1, s2, s3, s4 formed in the mask 13, during step 3, is large, the greater the depth p1, p2, p3, p4 of etching of the non protected 10, 10, 10, 10, in step 4, is large. Thus, in the example illustrated in FIGS. 2 and 3, an example of this preferred mode can be seen.

[0014] On voit à la fig. 2 que les parties non protégées 10, 10 ́, 10 ́ ́, 10 ́ ́ ́ sont formées par une série de sections s1, s2, s3, s4 trouées du masque 13 qui sont distribuées croissantes sur une même direction A. Une telle configuration permet comme illustré à la fig. 3 en un seul gravage de former les fonds distribués consécutivement 16, 16 ́, 16 ́ ́, 16 ́ ́ ́ à des profondeurs p1, p2, p3, p4croissantes, c’est-à-dire de plus en plus grandes. Les zones protégées 12, 12 ́, 12 ́ ́ par le masque 13 forment ainsi dans la couche 11 des murs 17, 17 ́, 17 ́ ́ de surface l1, l2, l3 projetée respectivement entre les fonds 16-16 ́, 16 ́-16 ́ ́ et 16 ́ ́-16 ́ ́ ́. We see in fig. 2 that the unprotected portions 10, 10, 10, 10 are formed by a series of sections s1, s2, s3, s4 perforated of the mask 13 which are distributed increasing on the same direction A. Such a configuration allows as shown in fig. 3 in a single engraving to form the funds distributed consecutively 16, 16, 16, 16 at depths p1, p2, p3, p4croissants, that is to say, larger and larger. The protected areas 12, 12, 12 by the mask 13 thus form in the layer 11 walls 17, 17, 17 of surface 11, 12, 13 projected respectively between the bottoms 16-16, 16 -16 and 16-16.

[0015] Le procédé 1 comporte ensuite une cinquième étape 6 consistant à oxyder thermiquement le dessus de la couche 11 gravée afin de transformer chaque zone qui était protégée par le masque 13, c’est-à-dire les murs 17, 17 ́, 17 ́ ́, en dioxyde de silicium comme illustré à la fig. 4. En effet, lors d’une oxydation thermique (processus bien contrôlé), l’interface silicium - dioxyde de silicium se déplace au sein de la matière avec pour résultat une conversion de silicium en dioxyde de silicium selon une épaisseur 18. On comprend donc que, de manière préférée, les largeurs 11, 12, 13, sont identiques et au moins inférieures à deux fois l’épaisseur de la couche 18 qui peut s’élever jusqu’à préférentiellement 5 µm. The method 1 then comprises a fifth step 6 of thermally oxidizing the top of the etched layer 11 in order to transform each zone which was protected by the mask 13, that is to say the walls 17, 17, 17, in silicon dioxide as illustrated in FIG. 4. Indeed, during a thermal oxidation (well controlled process), the silicon-silicon dioxide interface moves within the material resulting in a conversion of silicon to silicon dioxide in a thickness 18. so that, preferably, the widths 11, 12, 13 are identical and at least less than twice the thickness of the layer 18 which can be up to preferably 5 microns.

[0016] Enfin, le procédé 1 comporte une sixième étape 7 consistant à retirer la couche 18 de dioxyde de silicium afin de laisser un évidement unique 19 dans la couche de silicium 11 dont le fond 20 est oblique. Finally, the method 1 comprises a sixth step 7 of removing the layer 18 of silicon dioxide to leave a single recess 19 in the silicon layer 11, the bottom 20 is oblique.

[0017] Ainsi, avantageusement selon le procédé de l’invention, on comprend que des pièces de micromécanique comme, par exemple, des huiliers pour palier horloger peuvent désormais être fabriqués dans un matériau micro-usinable comme le silicium cristallin. Thus, advantageously according to the method of the invention, it is understood that micromechanical parts such as, for example, oil mills for watch bearing can now be manufactured in a micro-machinable material such as crystalline silicon.

[0018] Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à l’exemple illustré mais est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l’homme de l’art. En particulier, il peut être formée une deuxième série de sections trouées dans le masque 13 qui est en prolongement de la première série 10, 10 ́, 10 ́ ́, 10 ́ ́ ́, lesdites sections trouées de la deuxième série diminuant de surface consécutivement afin de former un point d’inflexion 21 ́ dans le fond 20 ́ de l’évidement 19 ́ comme illustré à la fig. 6. Of course, the present invention is not limited to the illustrated example but is susceptible to various variations and modifications that will occur to those skilled in the art. In particular, it may be formed a second series of perforated sections in the mask 13 which is an extension of the first series 10, 10, 10, 10, said perforated sections of the second series decreasing surface consecutively to form an inflection point 21 in the bottom 20 of the recess 19 as illustrated in FIG. 6.

[0019] On peut également imaginer que la section de la partie non protégée médiane soit suffisamment grande pour former un évidement 19 ́ ́ dont le fond 20 ́ ́ est partiellement débouchant 21 ́ ́ de la couche 11 ́ ́ de silicium. One can also imagine that the section of the median unprotected portion is sufficiently large to form a recess 19, the bottom 20 is partially open 21 of the silicon layer 11.

[0020] De même, on peut imaginer que la première série et/ou la deuxième série de sections trouées forme un plan P répété dans au moins une direction afin de former, par exemple, un évidement 19 ́ ́ ́ symétrique du premier 19 dans la même couche 11 comme illustré à la fig. 8. Les fonds respectifs 20, 20 ́ ́ ́ pouvant alors être séparé par exemple par une zone 22 non gravée lors de l’étape 4. Similarly, one can imagine that the first series and / or the second series of perforated sections form a plane P repeated in at least one direction to form, for example, a symmetrical recess 19 of the first 19 in the same layer 11 as illustrated in FIG. 8. The respective bottoms 20, 20 can then be separated for example by a zone 22 not etched in step 4.

[0021] Il est également possible que ce plan P soit répété selon une courbe particulière comme, par exemple, une translation B, C ou C formant des angles 9 de signe positif ou négatif par rapport au plan P comme illustré aux fig. 9et 10ou selon une rotation D d’une extrémité de plan P comme illustré à la fig. 11ou même d’une révolution du plan P sur lui-même selon un axe vertical. It is also possible that this plane P is repeated in a particular curve such as, for example, a translation B, C or C forming angles 9 positive or negative sign relative to the plane P as shown in Figs. 9 and 10 or according to a rotation D of a plane end P as illustrated in FIG. 11or even a revolution of the plane P on itself along a vertical axis.

[0022] Il est également envisageable qu’au moins une des séries du masque 13 comporte au moins deux sections trouées adjacentes de même surface afin de former un palier sensiblement plan dans le fond de l’évidement. It is also conceivable that at least one of the series of the mask 13 comprises at least two adjacent perforated sections of the same surface to form a substantially plane bearing in the bottom of the recess.

[0023] Enfin, si la fig. 8 présentent deux évidements 19 et 19 ́ ́ ́ symétriques dans la couche 11, il est bien évident que plus de deux évidements, dont les fonds peuvent être obliques et/ou plans, peuvent être réalisés à partir de la même couche de silicium, lesdits évidements pouvant être tous identiques ou partiellement identiques ou même tous différents. Finally, if FIG. 8 have two recesses 19 and 19 symmetrical in the layer 11, it is obvious that more than two recesses, whose bottoms can be oblique and / or planar, can be made from the same silicon layer, said recesses can be all identical or partially identical or even all different.

Claims

1. A method of manufacturing (1) a recess (19, 19, 19, 19) oblique in a layer (11, 11, 11, 11) of silicon comprising the steps of: a) providing (2) a substrate (9) having a layer (11, 11, 11, 11) of silicon; b) forming (3) a mask (13) on the silicon layer (11, 11, 11, 11) to form unprotected portions (10, 10, 10, 10 ) And a protected area (12, 12, 12) between each unprotected portion (10, 10, 10, 10); characterized in that it further comprises the following steps: c) etching (4) said unprotected portions (10, 10, 10, 10) of the silicon layer (11, 11, 11, 11) at depths (p1 , p2, p3, p4) different; d) removing (5) the mask (13); e) thermally oxidizing (6) the silicon layer (11, 11, 11, 11) to transform each protected area (12, 12, 12) into silicon dioxide; f) removing (7) the layer (18) of silicon dioxide to leave a single recess (19, 19, 19, 19) in the layer (11, 11, 11, 11 ) Of silicon whose bottom (20, 20, 20, 20) is oblique.

2. Method (1) according to the preceding claim, characterized in that the more the desired depth (p1 p2, p3, p4) of the unprotected part (10, 10, 10, 10) when in step c) is large, the larger the hole section (s1, s2, s3, s4) formed in step b) in the mask (13) is large in order to etch said unprotected portions (10 , 10, 10, 10) by dependence of the aspect factors of the engravings (15, 15, 15, 15).

3. Method (1) according to the preceding claim, characterized in that a first series of perforated sections in the mask (13) is distributed on the same direction (A), said perforated sections (s1, S2, s3, 54). increasing surface area consecutively to form a slope in the bottom (20, 20, 20, 20) of the recess (19, 19, 19, 19).

4. Method (1) according to the preceding claim, characterized in that the first series comprises at least two adjacent perforated sections of the same surface to form a bearing in the bottom of the recess.

5. Method (1) according to claim 3 or 4, characterized in that a second series of perforated sections in the mask (13) is an extension of said first series, said perforated sections of the second series decreasing surface consecutively to forming a point of inflection (21) in the bottom (20) of the recess (19).

6. Method (1) according to the preceding claim, characterized in that the second series comprises at least two adjacent perforated sections of the same surface to form a bearing in the bottom of the recess.

7. Method (1) according to one of claims 3 to 6, characterized in that each series of perforated sections form a plane (P) repeated in a translation (B, C, C) in at least one direction in order to form a symmetrical recess in said layer.

8. Method (1) according to one of claims 3 to 6, characterized in that each series of perforated sections form a plane repeated at a rotation (D) at least partial to form a symmetrical recess in said layer.

Method (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of oblique recesses (19, 19, 19, 19) are made in the same layer (11, 11, 11 , 11) of silicon.