CH702431A2 - Procédé de fabrication d'une pièce micromécanique. - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce micromécanique, dans lequel ladite pièce micromécanique est réalisée dans un matériau choisi parmi le groupe comprenant le diamant, les nitrures de bore, le carbure de silicium, le carbone et ses différentes variantes cristallographiques, le saphir et les verres céramiques, ledit procédé comportant les étapes suivantes: – gravure de ladite pièce dans un substrat réalisé dans ledit matériau, celle-ci présentant au moins deux surfaces associées à des plans sécants et reliées l’une à l’autre par une jonction en forme d’arête vive, – traitement de recuit de ladite pièce dans une atmosphère réductrice et sous des conditions de température et de pression adaptées pour provoquer la migration d’atomes dudit matériau à partir desdites arêtes vives de manière à les arrondir. La présente invention concerne également un procédé similaire appliqué à une pièce en silicium, dans lequel le traitement de recuit est effectué sous une pression strictement supérieure à 100 Torr. Les pièces micromécaniques obtenues peuvent en particulier être destinées à un mouvement mécanique horloger.
Description
Description Domaine technique
[0001 ] La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce micromécanique en silicium, diamant, nitrure de bore, carbure de silicium, saphir ou verre céramique, en particulier destinée à équiper un mouvement mécanique horloger.
Etat de la technique
[0002] Le silicium est de plus en plus utilisé par exemple dans l’industrie horlogère pour réaliser des pièces mécaniques ou micromécaniques qui sont destinées à faire partie des mouvements des montres mécaniques. Le brevet EP 0 732 635 B1 décrit un procédé de fabrication de pièces micromécaniques en silicium revêtues d’une couche en un matériau dur pour en améliorer les qualités de frottement ainsi que leur résistance de surface. La demande de brevet EP 1 422 436 A1 décrit un ressort spiral pour montre mécanique dont le cœur est gravé dans une plaque de silicium et dont la surface externe est oxydée pour réduire sa dérive en fréquence avec la variation de la température. La demande internationale de brevet WO 2007/000 271 A1 propose d’améliorer les propriétés mécaniques des pièces en silicium d’un mouvement mécanique horloger par dépôt sur leur surface externe d’une couche épaisse d’un matériau amorphe tel que: Si02, TiC, TiN, etc.
[0003] L’attrait du silicium est multiple. D’une part, il permet la fabrication simultanée d’un grand nombre de pièces («batch production») et, d’autre part, sa faible densité, sa dureté, sa résistance à la corrosion et son insensibilité aux champs magnétiques en font un matériau très intéressant pour les applications horlogères en permettant notamment d’améliorer l’isochronisme et la durée de marche des mouvements. En outre, la fabrication de telles pièces peut être réalisée avec une précision micrométrique. Un inconvénient, toutefois, du silicium réside dans sa relative fragilité aux chocs, laquelle rend la manipulation et le montage des pièces en silicium particulièrement délicats et contribue à réduire le rendement de fabrication car certaines de ces pièces se brisent suite à des chocs avec des outils ou d’autres composants.
[0004] Ce problème est encore aggravé par le fait que, pour le découpage des pièces dans un substrat de silicium, on utilise, le plus souvent, des techniques de gravure du type RIE («Reactive Ion Etching») ou DRIE («Deep Reactive Ion Etching») et, avec ces techniques, non seulement, il y a création d’arêtes vives entre des surfaces sécantes, comme par exemple des flancs et des parties supérieures et inférieures d’une pièce mais encore, les flancs présentent une rugosité et un défaut de planéité (ou «scalloping» selon la terminologie anglo-saxonne) défavorables pour les applications impliquant des contacts, ainsi que des ébréchures ou amorces de rupture qui accroissent la fragilité des pièces.
[0005] Enfin, le réseau cristallin du silicium qui constitue les pièces est perturbé par le procédé de gravure, ce qui diminue encore davantage la tenue aux chocs de celles-ci.
[0006] Par ailleurs, d’autres matériaux sont recherchés pour remplacer le silicium.
[0007] Dans la suite du présent texte, on entendra par l’expression «arête vive» une jonction entre deux surfaces sécantes suivant un angle indifférent, cette jonction présentant la forme d’une ligne qui peut être droite ou courbe. Par analogie, une «arête arrondie» qui assure la jonction entre deux surfaces sécantes est elle-même constituée par une surface.
Divulgation de l’invention
[0008] La présente invention a donc pour objet d’améliorer les propriétés mécaniques des pièces micromécaniques en silicium ou autres matériaux, destinées, notamment aux mouvements mécaniques horlogers, en diminuant leur fragilité et en augmentant leur résistance aux chocs.
[0009] Dans ce but, la présente invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce micromécanique, telle qu’une pièce d’horlogerie, dans lequel ladite pièce micromécanique est réalisée dans un matériau choisi parmi le groupe comprenant le diamant, les nitrures de bore, le carbure de silicium, le saphir, le carbone et ses différentes variantes cristallographiques et les verres céramiques, ledit procédé comportant les étapes suivantes:
- gravure de ladite pièce dans un substrat réalisé dans ledit matériau, celle-ci présentant au moins deux surfaces associées à des plans sécants et reliées l’une à l’autre par une jonction en forme d’arête vive,
- traitement de recuit de ladite pièce dans une atmosphère réductrice et sous des conditions de température et de pression adaptées pour provoquer la migration d’atomes dudit matériau à partir desdites arêtes vives de manière à les arrondir.
La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’une pièce micromécanique, dans lequel ladite pièce micromécanique est réalisée en silicium, ledit procédé comportant les étapes suivantes:
- gravure de ladite pièce dans un substrat en silicium, celle-ci présentant au moins deux surfaces associées à des plans sécants et reliées l’une à l’autre par une jonction en forme d’arête vive,
- traitement de recuit de ladite pièce dans une atmosphère réductrice et sous des conditions de température et de pression adaptées pour provoquer la migration d’atomes de silicium à partir desdites arêtes vives de manière à les arrondir, ladite pression étant strictement supérieure à 100 Torr.
2 [0010] Ainsi, le traitement de recuit en atmosphère réductrice permet d’arrondir les angles vifs et de lisser les surfaces rugueuses de la pièce, produits par le procédé de gravure. La pièce présente alors une résistance aux chocs supérieure à celle d’une pièce fabriquée selon le procédé de l’invention.
Brève description des dessins
[0011 ] D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d’un exemple de réalisation; ladite description étant faite à titre purement illustratif et en relation avec les dessins joints dans lesquels: la fig. 1 montre une vue partielle d’une pièce micromécanique au sortir du procédé de gravure DRIE, et la fig. 2 est une vue similaire montrant la pièce micromécanique après application du procédé de traitement thermique de l’invention.
Mode(s) de réalisation de l’invention
[0012] On a montré, sur la fig. 1 , une partie d’une pièce micromécanique, telle qu’un composant horloger 1 , qui présente des flancs verticaux 2 et une partie supérieure 3, respectivement associés à des plans sécants, ces flancs 2 et la partie supérieure 3 étant reliés par des jonctions en forme d’arêtes vives 4. Ce composant est obtenu à partir d’une plaquette (ou «wafer» selon la terminologie anglo-saxonne) en silicium par des procédés de gravure bien connus, tel le procédé de gravure à sec par plasma de type RIE ou DRIE. Ce composant peut être par exemple une roue dentée ou non, une roue d’échappement, une ancre, un balancier, une partie de rotor, une pierre, un pare-choc, une aiguille indicatrice, une came, une roue à colonnes, un plateau, une cheville, une levée, un ressort de rappel, un ressort spiral, tout autre élément d’un mouvement de montre mécanique ou toute pièce micromécanique. Bien entendu, les techniques liées à la fabrication de composants en silicium qui sont issues des technologies de production des circuits intégrés permettent avantageusement de produire simultanément un grand nombre de ces composants aux propriétés identiques avec une précision de l’ordre du micromètre. Il est d’autant plus important que le rendement de fabrication et/ou de montage reste élevé pour garder le coût de fabrication à un niveau acceptable. Comme indiqué précédemment, les pièces produites par gravure à l’aide d’un procédé RIE ou DRIE montrent d’une part, une grande fragilité qui péjore le rendement et, d’autre part, un état de surface défavorable des flancs verticaux. Comme on peut le voir sur la fig. 1 , les flancs verticaux présentent des sortes de vaguelettes dont les dimensions peuvent être de l’ordre d’une centaine de nanomètres. Par ailleurs, les arêtes vives peuvent être la cause de bien des problèmes. En effet, il peut se créer, sur ces arêtes, intrinsèquement fragiles du fait de leur géométrie, des ébréchures qui sont autant d’amorces de rupture en cas de chocs avec des outils ou d’autres composants. Enfin, comme cela a déjà été mentionné, le silicium est fragilisé dans sa masse par le procédé de gravure utilisé.
[0013] Selon l’invention, il est alors proposé d’appliquer, aux pièces en silicium issues de la gravure, un traitement de recuit (ou «thermal annealing» dans la terminologie anglo-saxonne) en atmosphère réductrice, à une pression strictement supérieure à 100 Torr.
[0014] Un tel traitement est décrit, par exemple, dans l’article «Thermal Annealing in Hydrogen for 3-D Profile Transformation on Silicon-on-lnsulator and Sidewall Roughness Réduction «de Ming-Chang M. Lee et al. paru dans la revue Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 15, No. 2, Avril 2006. Il est appliqué sur des pièces de très petites dimensions, par exemple de l’ordre du micron ou moins, dans une atmosphère d’hydrogène à une température de 1050 °C et sous une faible pression d’environ 10 Torr.
[0015] Selon la présente invention, les pièces de silicium subissent un traitement de recuit sous des pressions strictement supérieures à 100 Torr et de préférence inférieures ou égales à la pression atmosphérique (760 Torr). De préférence, la pression du traitement de recuit peut être de l’ordre de la pression atmosphérique.
[0016] Pour cela, on peut utiliser une installation permettant de travailler avec de l’hydrogène à la pression atmosphérique telle que le four vertical ASM.
[0017] Sous de telles conditions, il est noté que les arêtes s’arrondissent et que la rugosité des surfaces, aplanies, est réduite, par suite d’un phénomène de migration des atomes de silicium qui quittent les coins convexes (arêtes, sommets des vaguelettes susmentionnées) et s’accumulent dans les coins concaves.
[0018] Comme cela apparaît sur la fig. 2, les angles vifs des jonctions sont arrondis (voir 4<'>) après traitement, et les surfaces des flancs verticaux sont lissées (2<'>). Par contre, les dimensions globales de la pièce (hauteur et largeur) ne sont pas modifiées par ce traitement.
[0019] Les effets mentionnés, ci-dessus en relation avec l’état de la technique, ont été mis en avant dans le cadre d’applications optiques dans lesquelles le rendement en réflexion des surfaces traitées était amélioré. Ces effets avantageux sont également favorables dans la création de pièces micromécaniques de la présente invention, en particulier lorsque ces pièces sont des pièces d’horlogerie comprenant des surfaces destinées à être soumises à des contacts avec
3 d’autres pièces du mouvement, comme par exemple la roue d’échappement. Les frottements responsables d’une perte importante de rendement dans le mouvement horloger sont alors réduits.
[0020] Toutefois, les inventeurs ont constaté que ce traitement thermique, qui peut être appliqué à des pièces micromécaniques de dimensions bien supérieures à celles des pièces décrites dans l’état de la technique, entraîne des effets avantageux supplémentaires, notamment un réarrangement du réseau cristallin qui avait été préalablement perturbé par le procédé de gravure. Ce réarrangement du réseau cristallin, joint à la suppression des angles vifs et au lissage des surfaces, contribue largement à l’amélioration des propriétés mécaniques des pièces en silicium. Le résultat obtenu est une réduction notable de la fragilité des pièces en silicium, produites par un procédé de gravure de type RIE ou DRIE et, destinées à des mouvements de montres mécaniques, ainsi que l’augmentation de la résistance aux chocs de ces mêmes pièces.
[0021 ] Ces caractéristiques sont avantageuses pour toute pièce micromécanique de dimensions réduites rendant sa manipulation délicate, en particulier lors de l’assemblage d’un mouvement lorsqu’il s’agit de pièces d’horlogerie. Elles sont encore plus avantageuses pour des pièces dont des surfaces sont soumises à des contacts avec d’autres pièces du mouvement, comme par exemple la roue d’échappement, une ancre, un plateau, etc., la fragilité de ces surfaces, mais aussi des angles, arête ou parties saillantes, étant alors réduite. Ces applications profitent également du fait que le traitement thermique permet d’obtenir des états de surfaces d’une rugosité réduite, à savoir de l’ordre de quelques nanomètres.
[0022] Par ailleurs, le fait de pouvoir travailler à pression atmosphérique permet de simplifier les installations pour la fabrication et d’augmenter la productivité, les machines utilisées permettant un traitement en lot de plaques.
[0023] La durée du traitement thermique doit être ajustée en fonction des dimensions des pièces et/ou de l’effet désiré, notamment suivant la valeur souhaitée pour le rayon de courbure aux jonctions entre surfaces sécantes de la pièce. Par exemple, pour les dimensions habituellement mises en jeu dans les mouvements horlogers mécaniques, la plupart des pièces horlogères présenteront des qualités mécaniques améliorées après un traitement thermique, à une température de l’ordre de 800 °C à 1300 °C et, de durée approximativement comprise de quelques minutes à plusieurs heures. Le traitement thermique peut être appliqué en une ou plusieurs périodes successives sans sortir du cadre de l’invention, sous une pression de l’ordre de l’ordre de la pression atmosphérique.
[0024] On obtient ainsi des jonctions présentant avantageusement des rayons de courbures compris approximativement entre 0,1 et 50% des dimensions générales de la pièce micromécanique correspondante. Pour des pièces présentant une épaisseur notablement inférieure aux autres dimensions, c’est cette épaisseur qui pourra servir de base pour définir la valeur des rayons de courbure concernés.
[0025] De manière générale, on peut considérer pour des pièces micromécaniques, telles que des pièces horlogères de dimensions courantes, que des rayons de courbures compris entre quelques dixièmes de micromètre et quelques micromètres sont préférables. A titre d’exemple illustratif non limitatif, on pourra prévoir de ménager un rayon de courbure de l’ordre de 1 à 5 pm pour les jonctions séparant différentes surfaces d’une roue d’échappement de 5 mm de diamètre et dont l’épaisseur est de 120 pm, le rayon de courbure représentant dans ce cas moins de 2% de l’épaisseur.
[0026] L’atmosphère réductrice est constituée, principalement, d’hydrogène mais celui-ci peut être utilisé pur ou en mélange avec de l’argon ou tout autre gaz neutre.
[0027] Par ailleurs, l’invention concerne également un procédé de fabrication d’une pièce micromécanique, dans lequel ladite pièce micromécanique est réalisée dans un matériau choisi parmi le groupe comprenant le diamant, les nitrures de bore, le carbure de silicium, le saphir, le carbone et ses différentes variantes cristallographiques et les verres céramiques, ledit procédé comportant les étapes suivantes:
- gravure de ladite pièce dans un substrat réalisé dans ledit matériau, celle-ci présentant au moins deux surfaces associées à des plans sécants et reliées l’une à l’autre par une jonction en forme d’arête vive, par des procédés de gravure connus, tels que le procédé de gravure à sec par plasma de type RIE ou DRIE, par ion milling, par gravure chimique et micro sablage,
- traitement de recuit de ladite pièce dans une atmosphère réductrice et sous des conditions de température et de pression adaptées pour provoquer la migration d’atomes dudit matériau à partir desdites arêtes vives de manière à les arrondir.
[0028] Le traitement de recuit est similaire au traitement de recuit décrit ci-dessus pour le silicium. Seules peuvent changer les conditions de température et de pression en fonction du matériau utilisé.
[0029] Ledit traitement de recuit est effectué à une température comprise de préférence entre 400 °C et 2000 °C, de préférence entre 500 °C et 1500 °C. Ledit traitement de recuit est effectué à une pression comprise entre 1 mTorr et 760 Torr, de préférence comprise entre 1 Torr et 760 Torr.
[0030] Comme dans le procédé décrit ci-dessus pour le silicium, ladite atmosphère réductrice comprend de l’hydrogène et peut également comprendre un gaz neutre, par exemple de l’argon.
[0031 ] Le traitement de recuit est effectué pendant une durée comprise entre quelques minutes et plusieurs heures, ladite durée étant calculée sur une ou plusieurs périodes successives de traitement.
4
Claims (9)
- [0032] Comme pour le procédé appliqué au silicium, le procédé selon l’invention appliqué au matériau tel que le diamant, les nitrures de bore, le carbure de silicium, le saphir, le carbone et ses différentes variantes cristallographiques et les verres céramiques, permet d’obtenir que les arêtes s’arrondissent et que la rugosité des surfaces, aplanies, soit réduite, par suite d’un phénomène de migration des atomes dudit matériau utilisé qui quittent les coins convexes (arêtes, sommets des vaguelettes susmentionnées) et s’accumulent dans les coins concaves, sans modification des dimensions globales de la pièce. [0033] Là encore, la durée du traitement thermique doit être ajustée en fonction des dimensions des pièces et/ou de l’effet désiré, notamment suivant la valeur souhaitée pour le rayon de courbure aux jonctions entre surfaces sécantes de la pièce. Par exemple, pour les dimensions habituellement mises en jeu dans les mouvements horlogers mécaniques, la plupart des pièces horlogères présenteront des qualités mécaniques améliorées après un traitement thermique, à une température de l’ordre de 500 °C à 1500 °C et, de durée approximativement comprise de quelques minutes à plusieurs heures. Le traitement thermique peut être appliqué en une ou plusieurs périodes successives sans sortir du cadre de l’invention, sous une pression de l’ordre de l’ordre de la pression atmosphérique. [0034] La description ci-dessus a été faite en référence à un exemple de forme particulière. Il est évident, toutefois, que l’invention peut être utilisée avantageusement pour tout autre type de pièce horlogère et plus généralement micromécanique sans sortir de son cadre. Revendications 1. Procédé de fabrication d’une pièce micromécanique, dans lequel ladite pièce micromécanique est réalisée dans un matériau choisi parmi le groupe comprenant le diamant, les nitrures de bore, le carbure de silicium, le saphir, le carbone et ses différentes variantes cristallographiques et les verres céramiques, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes: - gravure de ladite pièce dans un substrat réalisé dans ledit matériau, celle-ci présentant au moins deux surfaces associées à des plans sécants et reliées l’une à l’autre par une jonction en forme d’arête vive, - traitement de recuit de ladite pièce dans une atmosphère réductrice et sous des conditions de température et de pression adaptées pour provoquer la migration d’atomes dudit matériau à partir desdites arêtes vives de manière à les arrondir.
- 2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit traitement de recuit est effectué à une température comprise entre 400 °C et 2000 °C, de préférence entre 500 °C et 1500 °C.
- 3. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit traitement de recuit est effectué à une pression comprise entre 1 mTorr et 760 Torr.
- 4. Procédé de fabrication d’une pièce micromécanique dans lequel ladite pièce micromécanique est réalisée en silicium, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes: - gravure de ladite pièce dans un substrat en silicium, celle-ci présentant au moins deux surfaces associées à des plans sécants et reliées l’une à l’autre par une jonction en forme d’arête vive, - traitement de recuit de ladite pièce dans une atmosphère réductrice et sous des conditions de température et de pression adaptées pour provoquer la migration d’atomes de silicium à partir desdites arêtes vives de manière à les arrondir, ladite pression étant strictement supérieure à 100 Torr.
- 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit traitement de recuit est effectué à une température comprise entre 800 °C et 1300 °C.
- 6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que ledit traitement de recuit est effectué à une pression inférieure ou égale à la pression atmosphérique.
- 7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite atmosphère réductrice comprend de l’hydrogène.
- 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite atmosphère réductrice comprend également un gaz neutre, par exemple de l’argon.
- 9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit traitement de recuit est effectué pendant une durée comprise entre quelques minutes et plusieurs heures, ladite durée étant calculée sur une ou plusieurs périodes successives de traitement. 5
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