CH711828A2

CH711828A2 - Pièce d'horlogerie micromécanique multi-niveaux et son procédé de fabrication.

Info

Publication number: CH711828A2
Application number: CH00205/17A
Authority: CH
Inventors: Despont Michel; Niedermann Philippe
Original assignee: Csem Centre Suisse D'electronique Et De Microtechnique Sa - Rech Et Développement
Priority date: 2017-02-22
Filing date: 2017-02-22
Publication date: 2017-05-31
Also published as: WO2018153664A2; EP3586200A2; US20200050150A1; US20230350346A1; US11809136B2; WO2018153664A3

Abstract

La présente invention concerne une pièce d’horlogerie micromécanique (1), comportant une pluralité de sous-ensembles fonctionnels (1a, 1b) solidaires et superposés les uns aux autres suivant une direction (Z) pour former un ensemble multi-niveaux, caractérisée en ce que chaque sous-ensemble fonctionnel (1a, 1b) est constitué d’un même matériau semi-conducteur et est solidaire d’un autre sous-ensemble (1a, 1b) par des ponts (5) constitués dudit matériau semiconducteur, et en ce que au moins un dit sous-ensemble (1a, 1b) comporte au moins deux portions (2, 3), lesdites portions étant mobiles l’une par rapport à l’autre et par rapport à un autre sous-ensemble (1a, 1b) duquel au moins une dite portion (2, 3) est solidaire par l’intermédiaire d’au moins une liaison déformable formée de matière entre lesdites portions (2, 3). L’invention concerne par ailleurs un procédé de fabrication d’une telle pièce d’horlogerie.

Description

Description Domaine technique [0001] La présente invention se rapporte au domaine de l’horlogerie. Elle concerne, plus particulièrement, une pièce d’horlogerie micromécanique multi-niveaux comportant des éléments mobiles les uns par rapport aux autres et présentant une structure monolithique. L’invention trouve une application particulière à la réalisation d’oscillateurs et composants de régulateurs pour l’horlogerie.

[0002] L’invention concerne également un procédé de fabrication d’une telle pièce d’horlogerie micromécanique multi-niveaux.

Etat de la technique [0003] Les mécanismes d’horlogerie requièrent la réalisation et la mise en oeuvre d’un très grand nombre de pièces de tailles, formes et sections variées, agencées les unes par rapport aux autres au sein des mécanismes pour remplir les différentes fonctions particulières assignées à ces mécanismes, que ce soit le comptage et l’affichage des quantièmes de de temps ou d’autres fonctions annexes.

[0004] Afin d’améliorer la fiabilité, l’isochronisme et la réserve de marche entre autres les différentes pièces constitutives de tels mécanismes n’ont globalement que peu évoluées dans leurs formes mais ont en revanche considérablement évoluées dans leurs matières constitutives, leurs procédés de fabrication, leurs propriétés mécaniques et physiques et, partant, leurs performances pures et celles de mécanismes les mettant en oeuvre.

[0005] Des avancées majeures sont intervenues durant ces dix dernières années avec la mise en oeuvre de composants horlogers sur base de silicium, fabriqués notamment suivant des techniques issues de l’industrie des micro-technologies des semi-conducteurs et de la microélectronique.

[0006] Des mobiles tels des roues d’échappement mais surtout des ressorts, notamment des spiraux de régulateurs à balancier ont ainsi été proposés largement dans l’état de la technique, ces derniers présentant notamment de meilleurs coefficients de frottement, une plus grande résistance mécanique et une meilleure thermocompensation, améliorant ainsi réserve de marche et isochronisme des mécanismes les incorporant à tout le moins.

[0007] Ces mêmes techniques ont également permis la réalisation de microsystèmes ou d’organes fonctionnels intégrés tels des oscillateurs, comportant des éléments mobiles en rotation les uns par rapport aux autres dans un même plan autour d’un axe de pivotement virtuel par le truchement de lames flexibles formées de matière entre les éléments mobiles, comme par exemple décrit dans la demande EP 2 911 012 A1 au nom de la demanderesse.

[0008] Cependant, une limitation de ces composants horlogers à éléments mobiles sur lames flexibles obtenus sur base matériaux semi-conducteurs réside dans leur caractère essentiellement mono-niveau, c’est-à-dire qu’ils ne peuvent contenir d’éléments mobiles que dans un seul plan de l’espace. Il n’est ainsi pas possible à ce jour de réaliser à partir d’un substrat semi-conducteur une pièce comportant différents sous-ensembles fonctionnels solidaires les uns des autres suivant un ou plusieurs axes de l’espace tout en comportant chacun le cas échéant des éléments fonctionnels mobiles les uns par rapport aux autres.

[0009] Des tentatives ont bien été réalisées par assemblage de pièces réalisées dans un premier temps séparément puis jointes par fusion par exemple. Toutefois les composants en résultants sont de moins bonne qualité en raison d’un alignement moins précis des structures formant les différents niveaux ou tout simplement en raison d’une qualité de l’interface de liaison moins maîtrisée.

[0010] Par ailleurs ces techniques d’assemblage ne permettent pas non plus d’offrir, ou très difficilement, des structures de composants dont les sous-ensembles fonctionnels intègrent des cavités et des espacements entre eux pour conférer différents jeux de mobilités et de fonctionnalités suivant l’axe d’empilement desdits sous-ensembles.

[0011] La présente invention a ainsi pour but de résoudre au moins partiellement les défauts des composants horlogers formés à base de matériaux semi-conducteurs pour la réalisation de pièces d’horlogerie et mécanismes d’horlogerie plus robustes et compacts, et comportant moins de composants distincts.

Divulguation de l’invention [0012] De façon plus précise, et selon un premier aspect, l’invention concerne une pièce d’horlogerie micromécanique, comportant une pluralité de sous-ensembles fonctionnels solidaires et superposés les uns aux autres suivant une direction pour former un ensemble multi-niveaux, caractérisée en ce que chaque sous-ensemble fonctionnel est constitué d’un même matériau semi-conducteur et est solidaire d’un autre sous-ensemble par des ponts constitués dudit matériau semi-conducteur, et en ce que au moins un dit sous-ensemble comporte au moins deux portions distinctes, lesdites portions étant mobiles l’une par rapport à l’autre et par rapport à un autre sous-ensemble duquel au moins une dite portion est solidaire, par l’intermédiaire d’au moins une liaison déformable formée de matière entre lesdites portions.

[0013] De façon avantageuse, lesdits sous-ensembles, leurs portions, les ponts et liaison(s) déformable(s) forment une pièce monolithique.

[0014] Dans une forme de réalisation privilégiée, lesdits sous-ensembles et ponts sont constitués de silicium (Si), d’alliage de silicium-germanium (SixGe-ι-χ), de germanium (Ge), de nitrure de gallium (GaN), ou de carbure de silicium (SiC).

[0015] Dans une forme particulière de réalisation, lesdits sous-ensembles et ponts sont constitués de silicium polycristallin ou amorphe.

[0016] Dans une forme de réalisation, lesdits sous-ensembles et ponts ou parties d’entre eux sont constitués de silicium dopé, notamment afin de rendre celui-ci conducteur et/ou pour améliorer ses propriétés de thermocompensation.

[0017] De façon avantageuse, lesdits sous-ensembles et ponts ou parties d’entre eux peuvent en outre être revêtus d’une couche de fonctionnalisation, notamment une couche de thermocompensation, à base de dioxyde de silicium (Si02) par exemple, une couche amortissante ou une couche de protection. Pour former ces couches de protection des matériaux polymères tel que le parylène ou une monocouche de silanes procurent des performances avantageuses.

[0018] Selon un mode de réalisation particulier de l’invention lesdits sous-ensembles sont espacés les uns des autres d’une distance comprise entre 0.1 et 20 microns, de préférence entre 0.5 et 10 microns, par les ponts dans la direction (Z).

[0019] De façon avantageuse encore, les liaisons déformabies sont constituées de lames flexibles dont l’épaisseur, mesurée dans un plan perpendiculaire à la direction (Z) est comprise entre 2 et 50 microns.

[0020] Avantageusement, lesdites portions d’un dit sous ensemble sont mobiles en rotation autour d’un axe de rotation virtuel ou en translation dans un plan perpendiculaire à la direction (Z).

[0021] Dans un mode de réalisation particulier en outre, au moins deux dits sous-ensembles directement superposés suivant la direction (Z) forment une structure gigogne, c’est-à-dire composée de membres solidaires desdits sous-ensembles et imbriqués les uns dans les autres avec jeu, notamment afin de procurer un dispositif de limitation de mouvement (butée, prévention des chocs) et/ou de guidage et/ou pour procurer un auto-alignement suivant la direction (Z) entre deux sous-ensembles.

[0022] De façon avantageuse, la structure gigogne peut comporter des membres inter-digités, c’est-à-dire dotés de doigts, s’étendant depuis une base dans des sens opposés suivant des directions parallèles à la direction (Z), par exemple pour limiter la course latérale perpendiculairement à la direction (Z) desdits sous-ensembles l’un par rapport à l’autre.

[0023] Conformément à un second objet, la présente invention se rapporte par ailleurs à un procédé de fabrication d’une pièce d’horlogerie telle que précédemment définie.

[0024] Ainsi, ce procédé comporte essentiellement les étapes successives suivantes: a) Procurer un substrat d’un matériau semi-conducteur, le dit substrat comprenant de préférence des marquages d’alignement sur une première face, b) Déposer sur une seconde face du substrat une couche de matériau sacrificiel de hauteur h déterminée et homogène sur toute la superficie de la seconde face du substrat; c) Structurer la couche de matériau sacrificiel par un procédé de gravure pour former dans celui-ci des ouvertures sur toute sa hauteur h; d) Déposer une couche de croissance d’un matériau semi-conducteur de même nature que le substrat sur la couche de matériau sacrificiel de manière à remplir les ouvertures préalablement formées et recouvrir intégralement celui-ci, e) Structurer la couche de croissance par un procédé de gravure profonde pour former un premier sous-ensemble fonctionnel comportant des portions mobiles les unes par rapport aux autres et par rapport au substrat par l’intermédiaire d’une liaison déformable au moins; f) Structurer le substrat de matériau semi-conducteur par un procédé de gravure profonde former un second sous-ensemble fonctionnel comportant des portions mobiles les unes par rapport aux autres et par rapport à la couche de croissance par l’intermédiaire d’une liaison déformable au moins; g) Retirer la couche de matériau sacrificiel entre le substrat et la couche de croissance pour former des ponts de liaison entre lesdits sous-ensembles et libérer ladite pièce d’horlogerie.

[0025] Suivant diverses caractéristiques du procédé de l’invention: - les étapes e) et f) comportent la mise en oeuvre d’un procédé de gravure ionique réactive; - le substrat et la couche de croissance sont formés d’un même matériau semi-conducteur, notamment de silicium (Si), d’alliage de silicium-germanium (SixGe-i-x), de germanium (Ge), de nitrure de gallium (GaN), ou de carbure de silicium (SiC) - le substrat et la couche de croissance sont formés d’un même matériau semi-conducteur dopé. - la couche de croissance est formée par croissance de silicium sur le substrat dans les ouvertures formées dans la couche de matériau sacrificiel et sur sa surface qui, dans le cas du silicium comme couche de croissance, pourrait être avantageusement du Si02. - Il comporte une étape de revêtement des sous-ensembles ou d’une partie d’entre eux par une couche de fonctionnai isation. - on répète les étapes b) à e) n fois, n étant un nombre entier compris entre 1 et 5, avant ou après l’étape f). - on reproduit les étapes b) à e) n fois, n étant un nombre entier compris entre 1 et 5, sur les deux faces du substrat. - on réalise une étape intermédiaire d’aplanissement de chaque couche de croissance entre les étapes d) et e), notamment par polissage.

Brève description des dessins [0026] D’autres détails de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels:

La fig. 1 représente une section dans un plan vertical d’une pièce d’horlogerie selon l’invention,

Les fig. 2 et 3 représentent deux variantes de réalisation d’une pièce d’horlogerie selon l’invention,

La fig. 4 représente les étapes du procédé de fabrication de la pièce d’horlogerie de la fig. 1,

La fig. 5 représente une variante du procédé de fabrication d’une pièce d’horlogerie de la fig. 4.

Modes de réalisation de l’invention [0027] La présente invention propose un nouveau type de composants horlogers de structure multi-niveaux, c’est-à-dire comportant une pluralité d’«étages» fonctionnels solidaires les uns des autres, ces dits étages fonctionnels intégrant des éléments mobiles par rapport aux autres étages.

[0028] Entre-autres exemples de tels composants horloger on peut citer notamment des bascules ou sautoirs, en encore de façon principale des oscillateurs pour organes réglant.

[0029] La fig. 1 représente, vue en coupe suivant un plan vertical X-Z, défini dans un repère orthonormé Χ,Υ, Z, un premier exemple de réalisation d’une pièce d’horlogerie 1 conforme à la présente invention telle que définie dans les revendications.

[0030] La pièce d’horlogerie 1 de l’invention forme un composant horloger de structure monolithique obtenu par des procédés de gravure d’un unique matériau semiconducteur comme il sera par la suite décrit en référence aux fig. 3 à 6.

[0031] La pièce d’horlogerie 1 comporte dans l’exemple représenté deux sous-ensembles fonctionnels 1a, 1b solidaires entre eux et superposés l’un à l’autre suivant la direction Z par des ponts 5 formés de matière entre les sous-ensembles 1a, 1b pour former un composant multi-niveaux suivant cette direction au moins.

[0032] Chaque sous-ensemble fonctionnel 1a, 1 b et les ponts 5 sont ainsi constitués du même matériau semi-conducteur et les sous-ensembles 1a, 1b sont espacés les uns des autres d’une distance comprise entre 0.1 et 20 microns, de préférence entre 0.5 et 10 microns, par les ponts 5 dans la direction Z.

[0033] De manière inventive selon la présente invention, au moins un des sous-ensemble 1 a, 1 b est composé d’au moins deux portions distinctes 2, 3 dont l’une, sur les figures la portion 3, est mobile par l’intermédiaire d’au moins une liaison déformable (non représentée sur les figures) par rapport à l’autre portion, sur les figures la portion 2, qui elle est solidaire d’au moins une dite portion 2, 3 de l’autre sous-ensemble 1a, 1b. La liaison déformable est avantageusement formée de matière entre lesdites portions 2, 3 lors de la gravure de la pièce d’horlogerie, est prend notamment la forme d’une ou plusieurs lame(s) flexible(s) dont l’épaisseur, mesurée dans un plan perpendiculaire à la direction Z est comprise entre 2 et 50 microns de préférence.

[0034] Ainsi, les sous-ensembles 1a, 1b sont décalés et séparés d’un espace 4 suivant la direction Z l’un de l’autre de telle sorte que les portions mobiles 3 de chaque sous-ensemble 1 a, 1 b puisse se déplacer sans frottement dans des plans parallèles au plan X-Y, perpendiculairement à la direction Z. Ainsi il est possible avantageusement par le biais de ce jeu inter-niveau mais également du positionnement et/ou du nombre de liaisons déformables ménagées entre les portions 2, 3 des sous-ensembles 1a, 1b d’organiser une mobilité desdites portions et sous-ensembles en rotation autour d’un axe de rotation virtuel parallèle à l’axe Z donc là aussi sans frottement autour dudit axe virtuel, ou encore en translation dans un plan perpendiculaire à l’axe Z, par exemple par le biais de lames flexibles parallèles entre les portions 2, 3.

[0035] Les fig. 2 et 3 représentent des formes de réalisation alternatives d’une pièce d’horlogerie selon l’invention.

[0036] La fig. 2 représente ainsi une pièce d’horlogerie 1 selon l’invention dans laquelle des cavités 7 sont aménagées et au sein desquelles les portions mobiles 3 d’un dit sous-ensemble 1b sont aptes à se déplacer. Un tel mode de réalisation présente ainsi l’avantage de procurer un micromécanisme, en l’espèce le sous-ensemble 1b au moins, intégré, ou encapsulé, entre deux niveaux, ici constitués par des sous-ensembles inférieur 1a et supérieur 1c. La pièce d’horlogerie 1 ainsi constituée est extrêmement robuste et protégée des perturbations exogènes telles que poussières ou autres qui pourrait venir s’insérer autrement entre les portions 2, 3 de la pièce et ses sous-ensembles 1a, 1b.

[0037] La fig. 3 quant à elle représente une autre variante de réalisation dans laquelle la pièce d’horlogerie 1 comporte une cavité 7 ménagée entre deux ensembles 1a, 1b superposés suivant la direction Z et forment une structure gigogne composée de membres 8, 9 imbriqués les uns dans les autres avec jeu selon la direction Z, un desdits membres 8, 9 au moins étant également une portion mobile 2, 3 d’un sous-ensemble 1a, 1b.

[0038] Ces membres imbriqués 8, 9 permettent avantageusement de réaliser une structure de butée interne à la pièce d’horlogerie 1, permettant ainsi de limiter les déplacements et d’absorber les chocs des portions mobiles 2, 3 dans des plans perpendiculaires à l’axe Z, voire de procurer un guidage de mouvement selon la configuration particulières desdits membres 8, 9.

[0039] Ce derniers peuvent notamment prendre la forme de doigts ou de peignes s’étendant depuis un sous-ensemble 1 a, 1 b vers l’autre sous-ensemble en sens opposé et sans contact avec ceux-ci. Ils peuvent également prendre toute autre forme adaptée en fonction des besoins, pour autant que lesdits membres puissent s’imbriquer les uns dans les autres suivant l’axe Z.

[0040] Selon les différentes formes de réalisation préférées de la pièce d’horlogerie 1 de l’invention précédemment décrite, le matériau semi-conducteur constitutif de la pièce d’horlogerie 1 et de tous ses éléments fonctionnels (sous-ensemble 1a, 1b, ponts 5, lames flexibles) est du silicium polycristallin.

[0041] Toutefois, du silicium amorphe peut également être employé, de même que d’autres matériaux semi-conducteurs habituellement employés dans les domaines de la microélectronique notamment tels des alliages de silicium-germanium (SixGe-,-χ), de germanium (Ge), de nitrure de gallium (GaN), ou de carbure de silicium (SiC).

[0042] La pièce d’horlogerie 1 de l’invention permet pour la première fois la conception et la réalisation de composants micromécaniques horlogers, et notamment d’oscillateurs, dotés d’une structure monolithique étagée et intégrant des portions mobiles 3 par le biais de liaisons déformables réalisées dans la masse de la pièce d’horlogerie 1 et des différents sous-ensembles 1 a, 1 b formant les niveaux ou étages de celle-ci. Une telle structure monolithique de la pièce d’horlogerie 1 de l’invention procure un alignement structurel optimal des différents sous-ensembles 1a, 1b suivant l’axe Z de superposition desdits sous-ensembles 1a, 1b, qui correspond comme cela ressortira par la suite à l’axe de croissance de la matière constitutive de la pièce d’horlogerie. La résistance mécanique intrinsèque de la pièce d’horlogerie 1 de l’invention et de ses différents sous-ensembles 1a, 1b et portions 2, 3 est ainsi fortement améliorée, de même que la précision des jeux de mobilités entre portions mobiles, et donc la précision et fiabilité de la pièce d’horlogerie 1 par rapport aux composants horlogers analogues obtenus par assemblage des différents sous-ensembles, notamment par de complexes techniques de collage ou d’hybridation de surface à partir de composants issus de wafers de silicium sur isolant (ou SOI pour silicium on insulator en anglais).

[0043] De plus, la pièce d’horlogerie de l’invention étant formée d’un matériau unique sans assemblage celle-ci présente également un coefficient thermique d’expansion (CTE) homogène sur toute la pièce, ce qui permet une plus grande stabilité et réponse thermique de celle-ci, donc un meilleure isochronisme potentiel d’un organe réglant intégrant une telle pièce d’horlogerie.

[0044] Une optimisation du coefficient thermique d’expansion est également possible par ailleurs en privilégiant comme matériau constitutif de la pièce d’horlogerie l’utilisation d’un silicium dopé, notamment un dopage de type n. Un tel dopage peut en outre procurer si nécessaire un caractère conducteur au silicium formant la pièce d’horlogerie de l’invention. Il est par ailleurs possible d’optimiser le coefficient d’expansion thermique global de la pièce d’horlogerie de l’invention par traitement des sous-ensembles 1a, 1b et ponts 5 ou parties d’entre eux d’une couche de fonctionnalisation telle qu’une couche de thermocompensation, par exemple d’oxyde de silicium dans le cas d’un micromécanisme en silicium.

[0045] La mise en œuvre d’une couche de fonctionnalisation sur les sous-ensembles 1a, 1b et ponts 5 ou parties d’entre eux ne se limite bien entendu pas uniquement à l’ajustement des propriétés thermique de la pièce d’horlogerie 1 de l’invention mais peut également être utile à toute autre amélioration fonctionnelle des propriétés propres du matériau constitutif de la pièce d’horlogerie 1 ou de ses performances dans le temps. On peut ainsi en particulier envisager un revêtement des sous-ensembles 1a, 1 b et des portions mobiles 3 de ceux-ci par une couche amortissante ou une couche de protection tel qu’une couche de prévention contre la corrosion, une couche de matière hydrophobe, une couche formant barrière chimique ou une couche tribologique.

[0046] La pièce d’horlogerie 1 de la présente invention dans sa forme générale représentée à la fig. 1 peut être obtenue par la mise en œuvre d’un procédé de fabrication mettant en œuvre des techniques de fabrications issues des microsystèmes de types MEMS (pour micro electromechanical Systems en anglais). Ce procédé est représenté en détail aux fig. 4A à 4G et décrit ci-après.

[0047] Comme représenté à la fig. 4A, on procure tout d’abord dans une première étape (a) un substrat S de silicium doté sur une première face S1 de marquages d’alignement 6 adaptés pour positionner le substrat sur un support dans une position de référence à partir de laquelle le substrat va être structuré par étapes successives.

[0048] Dans une seconde étape (b) on vient ensuite déposer sur une seconde face S2 opposée à la première du substrat une couche 10 de matériau sacrificiel, par exemple de préférence du dioxyde de silicium, sur toute la superficie de la seconde face S2 du substrat S.

[0049] On vient ensuite dans une troisième étape (c) représentée à la figure 2B structurer la couche de matériau sacrificiel 10 par un procédé de gravure profonde pour former dans celui-ci des ouvertures 11 sur toute sa hauteur. Le procédé de gravure peut être de diverse nature mais les procédés de gravure ionique réactive, plus connus sous l’acronyme RIE pour «Reactive Ion Etching» en anglais, sont privilégiés.

[0050] La couche 10 sacrificielle ainsi structurée on vient ensuite déposer sur celle-ci une couche de croissance 20 en silicium dans une quatrième étape (d). Cette couche de silicium 20, chimiquement identique au substrat S remplit ainsi lors de son dépôt les ouvertures 11 préalablement formées dans la couche de matériau sacrificiel 10 et recouvrir intégralement celle-ci (fig. 4C). On réalise ainsi des piliers ou plots de liaison entre le substrat S et la couche de croissance 20 par croissance de silicium sur la couche 10 de matériau sacrificiel.

[0051] Optionnellement, on pourra prévoir après les étapes b) et/ou d) une étape intermédiaire d’aplanissement de la surface desdites couche de matériau sacrificiel 10 et couche de croissance 20, notamment par polissage ou meulage. Une telle étape d’aplanissement permet de garantir un état de surface parfaitement plan pour la croissance de la couche de croissance 20 et/ou de toute autre couche additionnelle.

[0052] Les deux étapes suivantes (e, f) consistent alors à structurer la couche de croissance 20 d’une part (fig. 4D) et le substrat S d’autre part (fig. 4E), là encore par un procédé de gravure profonde de type DRIE (pour Deep Reactive Ion Etching en anglais), pour y former des ouvertures 12 délimitant des dites portions 2, 3 d’un premier et un second sous-ensemble 1a, 1b, une portion 3 étant mobile par rapport à l’autre par l’intermédiaire d’une liaison déformable au moins. La formation des portions 2, 3 résulte alors intégralement du masque définissant la configuration particulière choisie par design par le ou les concepteurs pour la pièce d’horlogerie 1.

[0053] Pour finaliser la pièce il convient enfin, comme représenté à la fig. 4F de retirer (g) la couche de matériau sacrificiel 10 entre le substrat S et la couche de croissance 20 préalablement structurés pour former les ponts 5 de liaison entre lesdits sous-ensembles 1a, 1b, ainsi le cas échéant que des liaisons intermédiaires (non représentées sur la fig. 4) entre les pièces individuelles ainsi formées.

[0054] Pour finir on libère la ou les dite(s) pièce(s) d’horlogerie 1 ainsi formées dans le substrat S, le cas échéant par rupture des liaisons intermédiaires à l’aide de tout outil approprié.

[0055] Comme il ressort de la description qui précède, le procédé de l’invention ne comporte aucun usinage et la formation des sous-ensembles 1a, 1b de la pièce d’horlogerie de l’invention résulte essentiellement de techniques de croissance, de méthode de photolithographie et de gravure ce qui permet d’assurer un alignement optimal des sous-ensembles 1a, 1b et de leurs éléments mobiles 3,4 en fonction du design souhaité, sans application de contraintes mécaniques externes dans la matière constitutive de la pièce. Il n’est de plus aucunement nécessaire d’assembler des éléments entre eux, contrairement aux procédés connus de l’art antérieur pour réaliser des pièces micromécaniques multi-niveaux, ce qui garantit l’absence de surfaces ou d’interfaces fragiles entre les sous-ensembles 1a, 1b et entre les portions desdits sous-ensembles, notamment au niveau des portions mobiles 3.

[0056] La mise en oeuvre d’une structuration du substrat S, de la couche 10 de matière sacrificielle et de la couche de croissance 20 par des procédés de gravure permet en outre une très bonne maîtrise dimensionnelle des pièces formées et de leurs éléments fonctionnels, notamment des liaisons déformables entre les portions 2, 3, ainsi que de leur géométrie, et ce malgré leurs dimensions très réduites de quelques dixièmes de millimètres à quelques millimètres à peine. On assure ainsi une meilleure reproductibilité de fabrication ainsi qu’une meilleure qualité intrinsèque et extrinsèque des pièces d’horlogerie 1 ainsi produites.

[0057] Le retrait de la couche sacrificielle 10 de dioxyde de silicium, dans le cas de l’utilisation de silicium comme matériau structurel, avant libération des pièces d’horlogerie 1 peut s’effectuer de manière classique par attaque chimique sur base d’acide fluorhydrique en phase liquide ou gazeuse par exemple.

[0058] Par ailleurs, lorsque des liaisons intermédiaires sont ménagées entre plusieurs pièces d’horlogerie 1 formées simultanément à partir d’un substrat S de silicium ces liaison peuvent répondre des principes décrit dans la demande de brevet EP 2 794 463 A1 de la demanderesse afin de permettre une libération qui génère le moins de contraintes possibles dans lesdites pièces.

[0059] Comme précédemment décrit en référence aux fig. 1 à 3 le substrat S et la couche de croissance 20 mis en oeuvre dans le procédé de l’invention sont constitués d’un même matériau semi-conducteur, de préférence de silicium, polycristallin ou amorphe, le cas échéant dopé. D’autres matériaux semi-conducteurs sont également envisageables, notamment des alliages de silicium-germanium (SixGei_x), de Germanium (Ge), de nitrure de Gallium (GaN), ou de carbure de Silicium (SiC) comme précédemment décrit.

[0060] Il est également envisageable de prévoir dans le cadre du procédé inventif une étape de revêtement des sous-ensembles 1a, 1b ou d’une partie d’entre eux par une couche de fonctionnalisation.

Claims

[0061] Par ailleurs bien qu’ayant été décrit et représenté sur les figures pour la réalisation de pièces d’horlogerie 1 composées essentiellement de deux sous-ensembles 1 a, 1 b formant deux niveaux fonctionnels il est tout à fait envisageable sans sortir du cadre de l’invention de multiplier le nombre de sous-ensembles au-delà de deux, et ce depuis chaque surface S1, S2 du substrat de silicium (ou autre matériau semi-conducteur approprié). Pour cela il suffit de répéter les étapes b) à e) n fois, n étant un nombre entier compris entre 1 et 5, avant ou après l’étape f) sur l’une et/ou l’autre des faces du substrat S. [0062] Les fig. 5A à 5G représentent une variation du procédé de fabrication précédemment décrit et représenté à la fig. 4, et plus particulièrement de l’étape d) de structuration de la couche de croissance 20 pour obtenir une pièce d’horlogerie 1 telle que représentée à la fig. 2, comportant une ou plusieurs cavités 7. [0063] La fig. 5A représente l’état intermédiaire d’une pièce d’horlogerie selon l’invention à la fin de l’étape d) de structuration de la couche de croissance. Au lieu de procéder à la structuration du substrat S comme dans le procédé de la fig. 4 on réalise ici comme représenté à la fig. 5B une nouvelle étape de dépôt d’une seconde couche 100 de matériau sacrificiel, de préférence le même que le premier et donc de Si02. Cette seconde couche 100 remplit alors les ouvertures 12 préalablement structurées par gravure dans la couche de croissance 20. [0064] On réalise ensuite à la fig. 5C une nouvelle structuration de la seconde couche 100 de matériau sacrificiel, de manière identique à l’étape c) du procédé de la fig. 4 pour y former des ouvertures 110, que l’on remplit ensuite comme représenté à la fig. 5D par une seconde couche de croissance de silicium 200. [0065] Ainsi, la première et la seconde couche 10, 100 de matériau sacrificiel forment entre le substrat S, la première couche de croissance 20 et la seconde couche de croissance 200 un noyau sacrificiel dissoluble que l’on peut ensuite dissoudre pour libérer les cavités 7 et former la pièce d’horlogerie 1 de la fig. 2. [0066] Pour cela, comme représenté aux fig. 5E et 5F, on perce de fins canaux d’injection 30 dans la seconde couche de croissance 200, dans lesquels on injecte ensuite une solution de dissolution des couches 10 et 100 de matériaux sacrificiels, lesquelles s’évacuent par les mêmes canaux 30, pour libérer les cavités 7. [0067] Une fois les cavités 7 libérées on peut réaliser une dernière étape de croissance de silicium par une couche de couverture 300 qui vient boucher les canaux 30 et sceller la pièce d’horlogerie 1 ainsi constituée, assurant une parfaite protection des portions mobiles internes. [0068] Il convient par ailleurs de noter que le procédé de la fig. 5 permet également de réaliser des pièces d’horlogerie dotée de structures gigognes comme représenté à la fig. 3 et précédemment décrit. [0069] La présente invention procure ainsi un nouveau type de composants horlogers et pièces d’horlogerie micromécaniques de structure multi-niveaux et incorporant des éléments fonctionnels mobiles par des liaisons déformables de type lames flexibles et leurs procédés de fabrication. Revendications

1. Pièce d’horlogerie micromécanique (1), comportant une pluralité de sous-ensembles fonctionnels (1a, 1b) solidaires et superposés les uns aux autres suivant une direction (Z) pour former un ensemble multi-niveaux, caractérisée en ce que chaque sous-ensemble fonctionnel (1a, 1b) est constitué d’un même matériau semi-conducteur et est solidaire d’un autre sous-ensemble (1a, 1b) par des ponts (5) constitués dudit matériau semi-conducteur, et en ce que au moins un sous-ensemble (1a, 1b) comporte au moins deux portions (2, 3), lesdites portions étant mobiles l’une par rapport à l’autre et par rapport à un autre sous-ensemble (1 a, 1 b) duquel au moins une dite portion (2,3) est solidaire, par l’intermédiaire d’au moins une liaison déformable formée de matière entre lesdites portions (2, 3).
2. Pièce d’horlogerie selon la revendication 1, caractérisée en ce lesdits sous-ensembles (1a, 1b), leurs portions (2, 3), les ponts (5) et liaison(s) déformable(s) forment une pièce monolithique.
3. Pièce d’horlogerie selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits sous-ensembles (1a, 1b) et ponts (5) sont constitués de silicium (Si).
4. Pièce d’horlogerie selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdits sous-ensembles et ponts sont constitués de silicium polycristallin ou amorphe.
5. Pièce d’horlogerie selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits sous-ensembles (1a, 1b) et ponts (5) ou parties d’entre eux sont constitués de silicium dopé.
6. Pièce d’horlogerie selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits sous-ensembles (1a, 1b) et ponts (5) ou parties d’entre eux sont revêtus d’une couche de fonctionnalisation, notamment une couche de thermocompensation, une couche amortissante ou une couche de protection.
7. Pièce d’horlogerie selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comporte une cavité (7) aménagées entre lesdits sous-ensembles (1a, 1b).
8. Pièce d’horlogerie selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les liaisons déformables sont constituées de lames flexibles dont l’épaisseur, mesurée dans un plan perpendiculaire à la direction (Z) est comprise entre 2 et 50 microns.
9. Pièce d’horlogerie selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdites portions (2, 3) d’un dit sous-ensemble (1 a, 1 b) sont mobiles en rotation autour d’un axe de rotation virtuel ou en translation dans un plan perpendiculaire à l’axe (Z).
10. Pièce d’horlogerie selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’au moins deux dits sous-ensembles (1a, 1b) directement superposés suivant la direction (Z) forment une structure gigogne composée de membres imbriqués les uns dans les autres avec jeu selon la direction (Z) t, de manière à limiter et/ou guider les mouvements des portions mobiles desdits sous-ensembles suivant des directions parallèles à la direction (Z).
11. Procédé de fabrication d’une pièce d’horlogerie selon l’une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu’il comporte les étapes successives suivantes: a) Procurer un substrat (2) d’un matériau semi-conducteur, le dit substrat comprenant de préférence des marquages d’alignement (6) sur une première face et b) Déposer sur une seconde face du substrat une couche (10) de matériau sacrificiel de hauteur h déterminée et homogène sur toute la superficie de la seconde face du substrat; c) Structurer la couche de matériau sacrificiel (10) par un procédé de gravure pour former dans celui-ci des ouvertures (11) sur toute sa hauteur h; d) Déposer une couche de croissance (20) d’un matériau semi-conducteur sur la couche de matériau sacrificiel (10) de manière à remplir les ouvertures (11) préalablement formées et recouvrir intégralement celui-ci, e) Structurer la couche de croissance (20) par un procédé de gravure pour former un premier sous-ensemble (1b) fonctionnel comportant des portions (3, 4) mobiles les unes par rapport aux autres et par rapport au substrat (2) par l’intermédiaire d’une liaison déformable au moins; f) Structurer le substrat (2) de matériau semi-conducteur par un procédé de gravure pour former un second sous-ensemble (1a) fonctionnel comportant des portions mobiles (3, 4) les unes par rapport aux autres et par rapport à la couche de croissance par l’intermédiaire d’une liaison déformable au moins; g) Retirer la couche de matériau sacrificiel (10) entre le substrat (2) et la couche de croissance (20) pour former des ponts (5) de liaisons entre lesdits sous-ensembles (1a, 1b) et libérer ladite pièce d’horlogerie.
12. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les étapes e) etf) comportent la mise en œuvre d’un procédé de gravure ionique réactive.
13. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu’il comporte une étape d’aplanissement de surface après les étapes b) et/ou d).
14. Procédé selon l’une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que le substrat (2) et la couche de croissance (20) sont formés d’un même matériau semiconducteur, notamment de silicium (Si).
15. Procédé selon l’une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que le substrat (2) et la couche de croissance (20) sont formés d’un même matériau semiconducteur dopé.
16. Procédé selon l’une des revendications 11 à 15, caractérisé en ce la couche de croissance (20) est formée par croissance de silicium sur le substrat (2) dans les ouvertures (11) formées dans la couche de matériau sacrificiel (10).
17. Procédé selon l’une des revendications 11 à 16, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de revêtement des sous-ensembles (1a, 1b) ou d’une partie d’entre eux par une couche de fonctionnalisation.
18. Procédé selon l’une des revendications 11 à 17, caractérisé en ce qu’on répète les étapes b) à e) n fois, n étant un nombre entier compris entre 1 et 5, avant ou après l’étape f).
19. Procédé selon l’une des revendications 11 à 18, caractérisé en ce que l’on reproduit les étapes b) à e) n fois, n étant un nombre entier compris entre 1 et 5, sur les deux faces du substrat (2).
20. Mouvement horloger comportant une pièce d’horlogerie conforme à l’une des revendications 1 à 10.