CH707797A1 - Procédé de fabrication d'une pièce micro-mécanique essentiellement plane, et pièce micro-mécanique comportant au moins une portion formée d'oxyde de silicium. - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce micromécanique (1) essentiellement plane, à partir d’un substrat de silicium (10) plan, comprenant les étapes suivantes: – usinage des contours de ladite pièce (1), et d’une pluralité de canaux (13) adjacents, séparés par des parois minces (14), formant une structure cellulaire rigide s’étendant au moins sur une portion (15) de la pièce (1), – oxydation thermique de la pièce (1 ) pendant une durée suffisante pour oxyder à cœur lesdites parois minces (14). L’invention concerne plus particulièrement l’industrie horlogère mécanique.

Description

[0001] La présente invention est relative aux procédés de fabrication de pièces micromécaniques, essentiellement planes, à partir d’un substrat de silicium. Elle concerne plus précisément un procédé de fabrication de telles pièces, formées au moins localement, d’oxyde de silicium. La présente invention se rapporte également à des pièces micromécaniques comportant au moins une portion constituée d’oxyde de silicium.

[0002] L’emploi du silicium dans l’industrie horlogère mécanique de précision a connu un essor important ces dernières années. Il est utilisé pour la fabrication de pièces micromécaniques essentiellement planes, telles que des ancres, des roues d’échappement, des spiraux ou des balanciers. En effet, le silicium remplace avantageusement, dans certaines applications, les métaux ou alliages métalliques, et ceci pour diverses raisons. Ses techniques d’usinage, par photolithographie et gravure ionique réactive profonde (DRIE, de l’anglais Deep Reactive Ion Etching), permettent d’obtenir des formes d’une grande complexité avec une précision de l’ordre du micron, à partir de substrats de silicium mince ou de silicium sur isolant. De plus, le silicium est insensible au champ magnétique, et présente des propriétés mécaniques intéressantes du point de vue tribologique. Pour plus d’informations sur ces différents sujets, on se référera aux documents EP 1 422 436, WO 2 009 068 091 et EP 2 284 629.

[0003] Toutefois, le silicium, de par sa couleur anthracite ou bleue-aubergine en fonction des traitements de surfaces subis, est d’un aspect peu esthétique. Cette caractéristique peut constituer un réel problème dans l’horlogerie haut de gamme, en particulier pour des montres conçues pour dévoiler largement le mécanisme du mouvement. Cet inconvénient est loin d’être mineur, dans la mesure où des efforts considérables sont déployés par les fabricants horlogers pour produire continuellement de nouveaux effets visuels esthétiques et surprenants.

[0004] Une solution possible à ce problème, consiste à employer de l’oxyde de silicium, en lieu et place du silicium. L’oxyde de silicium SiO2est transparent, et brillant, pour autant que sa surface soit parfaitement polie. Son potentiel esthétique est donc important. Néanmoins, la gravure de l’oxyde de silicium est d’une précision moindre et d’une vitesse inférieure à celle du silicium. La couche de résine nécessaire à la protection de l’oxyde durant le procédé de gravure, est importante, et l’aspect esthétique final est médiocre, en particulier en raison de la rugosité produite par la gravure. La fabrication de pièces micro-mécaniques en oxyde de silicium par les procédés connus de l’homme de métier, est donc malaisée et le résultat est insatisfaisant.

[0005] Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients, en proposant un procédé de fabrication simple et performant d’une pièce micromécanique comportant au moins une portion transparente en oxyde de silicium, lequel est d’aspect scintillant et esthétique. Plus précisément, l’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce micromécanique essentiellement plane, à partir d’un substrat de silicium plan, comprenant les étapes suivantes: – usinage des contours de la pièce, et d’une pluralité de canaux adjacents, séparés par des parois minces, formant une structure cellulaire rigide s’étendant au moins sur une portion de la pièce, – oxydation thermique de la pièce pendant une durée suffisante pour oxyder à cœur les parois minces.

[0006] Grâce à ces caractéristiques, le procédé selon l’invention permet de fabriquer des pièces micromécaniques comportant au moins une portion en oxyde de silicium, sans faire usage d’une étape de gravure de l’oxyde. L’état de surface de l’oxyde ne subit pas d’altération, et la pièce présente un aspect localement transparent et brillant susceptible de produire un effet optique particulièrement esthétique.

[0007] L’invention concerne également une pièce micromécanique comportant au moins une portion formée d’oxyde de silicium. Selon l’invention, la portion formée d’oxyde de silicium comporte une pluralité de canaux adjacents séparés par des parois minces, formant une structure cellulaire rigide.

[0008] Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, et donnant à titre d’exemple explicatif, mais nullement limitatif, un exemple de réalisation d’un procédé de fabrication d’une pièce micromécanique selon l’invention, dessins dans lesquels: <tb>la fig. 1<SEP>représente des vues schématiques en coupe, des différentes étapes du procédé de fabrication selon l’invention, <tb>la fig. 2<SEP>illustre une vue de dessus de la première étape dudit procédé, <tb>la fig. 3<SEP>est une vue de détail d’une pièce micromécanique fabriquée selon ledit procédé, et, <tb>les fig. 4 et 5<SEP>sont des vues de dessus de deux exemples de pièces réalisées selon ledit procédé.

[0009] En préambule à la description qui suit, on notera que les échelles des fig. 1 à 5 , ont volontairement été modifiées dans le but d’améliorer leur lisibilité.

[0010] Le procédé de fabrication selon l’invention d’une pièce micromécanique essentiellement plane, représenté schématiquement en fig. 1 et 2 , s’applique préférentiellement, pour des considérations économiques, à la production par lots ou ’batch’ d’une multitude de petites pièces. Il comporte une première étape a, d’usinage d’une ou plusieurs pièces micromécaniques 1, à partir d’un substrat de silicium 10 plan, de manière à en former les contours. Le substrat 10 est, par exemple, constitué d’une plaque de silicium monocristallin ou poly-cristallin, d’épaisseur typiquement comprise entre 50 et 200 micromètres, dont la face présente, avantageusement, un aspect poli miroir. Un film11 constitué d’un matériau autre que le silicium, adhérant à la face arrière de la plaque 10, fait fonction de couche d’arrêt. Le film 11, d’épaisseur 0.5 à 20 micromètres, est constitué, par exemple, d’aluminium, d’or, de parylène, ou autre matériau apte à être déposé en couche mince. En variante, on emploiera une plaque de silicium sur isolant, mieux connu sous l’appellation SOI (de l’anglais Silicon On Insulator).

[0011] Les pièces 1 sont usinées par les méthodes de photolithographie et gravure bien connues de l’homme de métier, ou par toute autre méthode alternative permettant le micro-usinage du silicium avec une résolution de l’ordre du micromètre. De préférence, on emploiera le procédé de gravure ionique réactive profonde, ou DRIE, de l’anglais Deep Reactive Ion Etching, lequel permet de graver le silicium verticalement sur une épaisseur allant jusqu’à 300 micromètres. Pour plus d’informations sur la gravure DRIE, on se référera à la littérature spécialisée sur le sujet. De minces poutres de liaison 12, visibles en fig. 2 , relient les pièces 1 les unes aux autres et au substrat 10, de manière à maintenir ledit substrat d’un seul tenant lors des étapes suivantes.

[0012] Lors de la même étape a, une pluralité de canaux 13 adjacents, séparés par des parois minces 14, sont usinés perpendiculairement au plan de la pièce 1. L’ensemble canaux 13 / parois minces 14 forme une structure cellulaire rigide 15 s’étendant au moins sur une portion 15 de la pièce 1. La rigidité de la structure cellulaire 15 est conférée par le ratio entre les dimensions radiales et longitudinales des canaux 13, lequel est compris entre 5 et 30. Les canaux 13 étant profonds par rapport à leur largeur, ils s’opposent à des efforts de compression et de torsion. Leur section peut être de forme carrée, rectangulaire, circulaire, ou autre, en fonction de l’utilisation et de la nature des pièces 1. De manière particulièrement avantageuse, on optera pour une section hexagonale, formant une structure en ’nid d’abeille», dont les propriétés mécaniques sont bien déterminées et procurent une rigidité optimale pour une quantité de matière minimale. Les parois minces 14 ont une épaisseur typiquement comprises entre 0.5 et 5 micromètres pour des raisons qui apparaîtront dans la suite de cet exposé. L’agencement des canaux 13 peut être périodique ou quelconque, pour autant que l’épaisseur des parois 14 reste dans la fourchette susmentionnée.

[0013] L’usinage des canaux 13 séparés par des parois minces 14, permet de constituer une structure cellulaire rigide 15 formée essentiellement de vide, mais néanmoins rigide et résistante aux contraintes mécaniques. La structure cellulaire 15 ainsi formée est plus ou moins étendue en surface des pièces 1, en fonction de l’effet esthétique souhaité. En règle générale, une zone massive 16, destinée à l’attache des pièces 1 ou tout autre fonction mécanique, sera exempte de structuration, afin de supporter des efforts de montage et de serrage sur un axe ou une autre pièce métallique. La structure cellulaire 15 peut être limitée par une enveloppe 17, d’épaisseur sensiblement égale à celle des parois minces 14, dessinant les contours des pièces 1, et destinée à fermer tous les canaux 13.

[0014] On notera que l’étape a d’usinage de la pièce 1 et des canaux 13, peut être scindée en deux étapes distinctes, la première destinée à former les contours de la pièce 1, la seconde dédiée à la gravure des canaux 13. En effet, les différences en terme de dimension de structures peuvent être significatives d’une étape à l’autre, et l’homme de métier pourra être amener à choisir des paramètres de gravure distincts, de manière à optimiser chacune d’entre elles. Il s’ensuit que l’étape a sera, ou non, divisée en deux sous-étapes, en fonction des contraintes de coût ou de fabrication.

[0015] Dans une deuxième étape, représentée en figure b, le film 11 est éliminé en face arrière, par un procédé chimique ou physico-chimique. Les pièces 1 sont alors maintenues solidaires entres elles et du substrat 10, grâce aux fines poutres 12 qui les relient.

[0016] Enfin, une troisième étape, illustrée en figure c, consiste en une oxydation thermique de l’ensemble du substrat 10 et des pièces 1 qui le forment, pendant une durée suffisante pour oxyder à cœur les parois minces 14. Une telle oxydation est généralement une opération à haute température, par exemple entre 1000 °C et 1200 °C, en atmosphère humide, d’une durée de l’ordre d’une vingtaine d’heures ou davantage. Les paramètres précis de l’oxydation sont déterminés par l’homme de métier, en fonction de l’épaisseur des parois minces 14 à oxyder, et de données autres, telles que la nature exacte du substrat 10 (poly cristallin ou monocristallin), son orientation cristalline, le rendu final souhaité, etc. L’épaisseur des parois 14 est multiplié approximativement par un facteur 2.17 durant l’oxydation, c’est pourquoi, les canaux 13, les parois 14, et plus généralement, toutes les différentes portions des pièces 1 sont dimensionnées, lors de l’étape a, en tenant compte du gain en matière procuré par l’oxydation.

[0017] Concernant les dimensions des parois 14 avant l’étape c d’oxydation, une attention toute particulière sera portée aux nœuds 20 où les parois 14 concourent. Ces nœuds 20, illustrés en fig. 3a à 3d , avant et après l’étape c d’oxydation, sont formés par la convergence de trois ou quatre parois 14. Ils ont une diagonale de dimension supérieure à l’épaisseur des parois 14. Il s’ensuit que leur cœur 21 peut demeurer inoxydé après l’étape d’oxydation c, comme représenté en fig. 3b . La pièce 1 présente alors un aspect inesthétique. Pour remédier à cet inconvénient, on évitera la convergence de quatre parois 14 en un nœud 20, tel que représenté en fig. 3a , car aucune possibilité d’amincissement de leur cœur n’est possible. On privilégiera plutôt des nœuds 20 formés de la convergence de trois parois 14, tel qu’illustré en fig. 3c , permettant un amincissement 22 du nœud 20 du côté opposé à l’une des trois parois 14. Cet amincissement 22 est compensé par l’apport de matière fourni par l’oxydation, visible en fig. 3d .

[0018] Ainsi oxydées à cœur, les parois minces 14 et les nœuds 20 prennent un aspect transparent propre à l’oxyde de silicium SiO2. Les structures cellulaires 15 gravées lors de l’étape a, deviennent entièrement transparentes, et scintillent sous l’effet de la lumière. Le rendu esthétique est surprenant, tandis que les caractéristiques mécaniques des pièces 1 sont pratiquement inchangées par rapport au silicium. Les zones 16 non structurées conservent leur couleur anthracite, tandis que l’enveloppe 17 est transparente au même titre que les parois 14. Un effet esthétique particulièrement saisissant peut être obtenu en réalisant une enveloppe 17 dont les flancs forment un réseau optique diffractant la lumière. Plus généralement, une grande variété d’effets visuels et de propriétés optiques peut être imaginée et obtenue, en fonction des paramètres des différents procédés de gravure et d’oxydation, et les structures cellulaires choisies. Les possibilités de rendu esthétiques sont nombreuses et ne peuvent pas être énumérées intégralement, mais toutes entrent dans le cadre de cette invention.

[0019] On notera aussi que des traitements de surface, à caractère mécanique ou esthétique, peuvent être réalisés localement ou sur l’ensemble des pièces 1, après l’étape c d’oxydation thermique. Par exemple, un dépôt de nitrure de silicium ou de diamant permet d’augmenter la dureté des pièces 1, tandis qu’un dépôt métallique de type physico-chimique, par exemple un dépôt d’or, sur les zones anthracites, confère un aspect encore plus esthétique. Différentes variantes sont possibles et l’homme de métier choisira la plus appropriée, selon la fonction de la pièce, sans sortir du cadre de l’invention.

[0020] Après l’étape c d’oxydation, et d’éventuels traitements de surface ultérieurs, les pièces 1 sont séparées du substrat 10 par rupture des poutres de liaison 12.

[0021] Deux exemples de pièces ainsi réalisées sont illustrés en fig. 4 et 5 . En fig. 4 , la pièce 1 forme une ancre d’échappement pour mouvement horloger entièrement transparente, à l’exception de deux zones pleines 16 définissant deux trous 18 et 19 destinés au montage de la pièce 1, et de deux palettes 23 et 24. La structure cellulaire choisie dans cet exemple, de type «nid d’abeille», confère à l’ancre un aspect élégant et très régulier. La pièce est limitée par une enveloppe 17, qui en pratique ne devra pas couper les canaux 13 en dessous d’une taille minimale.

[0022] La pièce 1 illustrée en fig. 5 est un spiral équipant un échappement horloger. Sa structure cellulaire est de type rectangulaire, les rectangles étant de tailles variables et suivant une disposition non périodique le long du spiral. Dans ce cas particulier, la géométrie des canaux 13 et leur disposition sont choisies pour procurer des caractéristiques mécaniques données au spiral. En particulier, il est possible, par un calcul judicieux des dimensions des canaux 13, de régler l’isochronisme du spiral, c’est à dire, la stabilité de sa fréquence de rotation, en fonction de son amplitude maximale de rotation. D’autre part, on pourra déposer une couche de silicium, nitrure de silicium ou diamant, sur une partie ou l’ensemble du spiral, dans le but de compenser la variation thermique du module d’élasticité de l’oxyde de silicium, et par suite de la constante de ressort du spiral. Un tel spiral est dit thermo-compensé. L’homme du métier saura choisir l’épaisseur de la couche pour obtenir cette propriété.

[0023] Ainsi a été décrit un procédé de fabrication de pièces micro-mécaniques transparentes au moins localement. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits ci-dessus, mais s’étend à toutes les variantes à la portée de l’homme de métier, s’inscrivant dans le cadre des revendications ci-après. On notera, en particulier, que d’autres procédés de micro-usinage des pièces 1 et des canaux 13 ayant une résolution suffisante peuvent être employés, en dehors de la gravure DRIE. <tb>1<SEP>pièce <tb>10<SEP>Substrat de silicium <tb>11<SEP>Film face arrière <tb>12<SEP>Poutre d’attache <tb>13<SEP>Canal <tb>14<SEP>Paroi mince <tb>15<SEP>Structure cellulaire <tb>16<SEP>Zone massive <tb>17<SEP>Enveloppe <tb>18, 19<SEP>Trou <tb>20<SEP>Nœud <tb>21<SEP>Cœur <tb>22<SEP>Amincissement <tb>23, 24<SEP>Palettes

Claims (13)

1. Procédé de fabrication d’une pièce micromécanique (1) essentiellement plane, à partir d’un substrat de silicium (10) plan, comprenant les étapes suivantes: – usinage des contours de ladite pièce (1), et d’une pluralité de canaux (13) adjacents, séparés par des parois minces (14), formant une structure cellulaire rigide (15) s’étendant au moins sur une portion de la pièce (1 ), – oxydation thermique de la pièce (1) pendant une durée suffisante pour oxyder à cœur lesdites parois minces (14).

2. Procédé de fabrication selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdites parois (14) ont une épaisseur comprise entre 0.5 et 5 micromètres avant oxydation.

3. Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits canaux (13) sont d’orientation sensiblement perpendiculaire au plan de la pièce et en ce que leurs dimensions radiales sont inférieures à leurs dimensions longitudinales.

4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite structure cellulaire est périodique.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite structure cellulaire est de type nid d’abeille.

6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite structure cellulaire (15) est limitée par une enveloppe extérieure (17).

7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’une couche mince, à fonction mécanique ou esthétique, est déposée au moins localement sur ladite pièce (1) après ladite oxydation thermique.

8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l’usinage de ladite pièce (1) et desdits canaux (13) est réalisé par gravure ionique réactive profonde.

9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l’usinage de ladite pièce (1) et desdits canaux (13), est réalisé en deux étapes distinctes.

10. Pièce micromécanique (1) comportant au moins une portion formée d’oxyde de silicium, caractérisée en ce que ladite portion comporte une pluralité de canaux (13) adjacents séparés par des parois minces (14), formant une structure cellulaire rigide (15).

11. Pièce micromécanique (1) selon la revendication 13, caractérisée en ce qu’elle comporte, en outre, une zone massive (16).

12. Pièce micromécanique selon la revendication 11, caractérisée en ce ladite zone massive (16) est en silicium.

13. Pièce micromécanique selon l’une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu’elle est recouverte d’une couche mince destinée à compenser la variation thermique du module d’élasticité de l’oxyde de silicium.