Domaine technique de l'invention
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La présente invention concerne la fabrication de composants en silicium, en particulier de composants horlogers tels que des spiraux, ancres, roues d'échappement, roues dentées, plateaux, aiguilles, balanciers.
État de la technique
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Les composants horlogers en silicium sont typiquement fabriqués à l'aide d'un substrat - aussi appelé wafer - de type silicium sur isolant connu sous l'acronyme SOI (silicon on insulator) et comprenant une couche utile de silicium dans laquelle les composants doivent être formés, une deuxième couche, typiquement en silicium, servant à rigidifier le substrat et, entre ces deux couches, une couche intermédiaire d'oxyde servant de couche d'arrêt pour les opérations de gravure de la couche utile.
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Selon un procédé connu, la couche utile en silicium est gravée afin d'y former les composants puis une plaquette comprenant au moins une partie de cette couche utile portant les composants est « libérée » c'est-à-dire détachée du substrat pour être soumise à des opérations d'oxydation et désoxydation visant à améliorer l'état de surface des composants ou à ajuster leurs dimensions, notamment pour régler leur raideur, avant qu'ils ne soient finalement détachés de la plaquette.
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Dans le cas de composants individuels, les composants sont déposés sur un support pour être traités ce qui entraîne un déplacement laborieux.
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Les fabricants cherchent toutefois à optimiser constamment le procédé de fabrication de tels composants, notamment en réduisant sa durée et donc les coûts associés.
Résumé de l'invention
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Un but de la présente invention est donc de proposer un procédé de fabrication de composants horlogers dont la durée et le coût sont optimisés.
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Selon l'invention, ce but est atteint grâce à l'objet de la revendication 1. Des aspects plus spécifiques de la présente invention sont décrits dans les revendications dépendantes ainsi que dans la description.
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De manière plus spécifique, un but de l'invention est atteint grâce à un procédé de fabrication d'une pluralité de composants horlogers en silicium, dans lequel, dans cet ordre :
- a) on fournit un substrat comprenant la superposition, dans une direction transversale, d'au moins une couche utile en silicium, une couche intermédiaire d'oxyde et une couche de rigidification, la couche intermédiaire étant interposée entre la couche utile et la couche de rigidification,
- b) on grave la couche utile pour y former les composants horlogers,
- c) on oxyde thermiquement le substrat, la face inférieure de chaque composant restant en contact avec la couche intermédiaire durant l'oxydation, puis
- d) en une étape continue de désoxydation, on retire de l'oxyde formé à l'étape
- c) sur chaque composant et, pour chaque composant, au moins la partie de la couche intermédiaire se trouvant en contact avec sa face inférieure.
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Les étapes a) à d) sont réalisées dans cet ordre, soit directement l'une à la suite de l'autre, soit en intercalant une ou plusieurs étapes intermédiaires entre au moins deux étapes successives.
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Dans la présente demande, et en référence à la couche utile du substrat ou aux composants réalisés dans cette couche utile, on appellera face inférieure une face orientée vers la couche intermédiaire et la couche de rigidification du substrat et face supérieure une face opposée à une telle face inférieure dans la direction transversale. Une face latérale relie de telles faces inférieure et supérieure.
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Selon l'invention, le substrat, déjà gravé, est oxydé alors que la couche intermédiaire est toujours en place et intacte au droit des composants. Lors de l'étape c), la face inférieure des composants horlogers, toujours attachée à la couche intermédiaire, n'est donc pas oxydée.
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Sur chaque composant, l'oxydation résulte au moins dans la formation d'une couche de dioxyde de silicium sur sa ou ses faces latérales (correspondant aux flancs de gravure).
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La face supérieure d'un composant peut être oxydée lors de l'étape c) mais ce n'est pas nécessairement le cas, cette face ayant par exemple pu être recouverte préalablement (notamment par un masque de nitrure déposé avant la gravure).
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Le fait que les composants ne soient pas, lors de l'étape c), oxydés sur leur face inférieure (et voire même également sur leur face supérieure) n'est cependant pas problématique. En effet, l'oxydation de l'étape c) est avantageusement une oxydation de lissage des composants horlogers ou une oxydation de mise à dimension des composants horlogers. Or, dans le cas d'un lissage, ce sont principalement les irrégularités de surface liées à la gravure - et donc présents sur les flancs ou faces latérales des composants - que l'on cherche à corriger.
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De la même façon, la hauteur (i.e. la dimension transversale) des composants ne nécessite généralement aucun ajustement puisque cette dimension est déterminée par l'épaisseur de la couche utile du substrat. L'oxydation des faces latérales des composants peut cependant permettre d'ajuster leur largeur.
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Le fait de réaliser, selon l'invention, au moins une oxydation sur le substrat après gravure de la couche utile (ci-après substrat gravé) et avant libération des composants (autrement dit avant retrait de la couche intermédiaire au droit de ceux-ci) a plusieurs avantages :
Dans le cas de composants individuels, non reliés à une partie de la couche utile par une attache, le lissage et/ou la mise à dimensions peuvent être réalisés sans déplacer les composants un à un sur un support.
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Dans le cas de composants reliés à une partie de la couche utile par une attache, les composants peuvent être préservés pendant l'étape d'oxydation thermique, et ne risquent pas de se déformer et/ou de se détacher. En effet, en comparaison d'une plaquette qui, mise à haute température dans un four d'oxydation thermique, peut avoir tendance à fléchir sous l'effet de son propre poids, le substrat est ici rigidifié par sa deuxième couche et ne se déforme pas.
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Par ailleurs, le nombre d'étapes du procédé est optimisé et le temps de manipulation est diminué, de même que la quantité de produits de traitement et l'énergie nécessaires.
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Là où, pour une oxydation de composants, le procédé classique libère une plaquette portant les composants, typiquement en désoxydant le substrat, et réalise en plus une séquence d'oxydation puis désoxydation de cette plaquette, le présent procédé ne nécessite qu'une étape d'oxydation et une unique étape de désoxydation du substrat. Une étape de désoxydation peut donc être économisée pour un même résultat.
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Comme indiqué précédemment, l'oxydation de l'étape c) peut par exemple avoir une fonction de lissage ou une fonction de mise aux dimensions des composants.
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Dans la présente demande, une oxydation de lissage doit être entendue comme une oxydation visant uniquement l'amélioration de l'état de surface des composants et dans laquelle la dimension de ces composants n'est pas prise en compte. En particulier, le choix de la durée de l'oxydation ou de la quantité de silicium à retirer des composants n'est pas conditionné par leurs dimensions.
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Dans le cas d'un ajustement dimensionnel, au contraire, l'oxydation peut être réalisée en fonction d'une quantité de silicium à retirer sur les composants formés à l'étape b) et déterminée préalablement.
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Par quantité de silicium, on entend en particulier une épaisseur (mesurée orthogonalement à la direction transversale) et/ou une hauteur (mesurée dans la direction transversale) de silicium des composants formés à l'étape b).
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Typiquement, à l'étape b), les composants peuvent être formés avec des dimensions supérieures aux dimensions souhaitées. Par exemple, dans le cas d'un spiral, les dimensions des spiraux formés dans la couche utile lors de l'étape b) de gravure peuvent être supérieures aux dimensions nécessaires pour obtenir des spiraux ayant une certaine raideur cible.
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Or, l'oxydation thermique du silicium entraîne la formation de dioxyde de silicium au détriment du silicium. Le front de silicium recule pour créer une nouvelle interface avec le dioxyde de silicium. Lorsque, lors de l'étape d) de désoxydation, la couche de dioxyde de silicium est éliminée, l'interface entre le silicium et le dioxyde de silicium devient la nouvelle surface extérieure du composant.
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Notamment dans le cas où elle a une fonction de mise aux dimensions des composants, le procédé peut comprendre une étape préalable de mesure des composants gravés et de détermination de la quantité de matière à retirer pour obtenir des dimensions prédéterminées pour les composants. Dans ce cas, l'oxydation subséquente est réalisée en fonction de la quantité de matière à retirer ainsi déterminée.
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Dans le cas d'une mise aux dimensions, l'effet de lissage est obtenu lui-aussi sur les faces oxydées, en tant qu'effet supplémentaire intrinsèque de l'oxydation/désoxydation.
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La désoxydation de l'étape d) est réalisée en une seule étape continue permettant à la fois de supprimer de l'oxyde formé à l'étape c) sur chaque composant, de préférence tout l'oxyde formé à l'étape c) sur chaque composant, encore préférentiellement tout l'oxyde formé à l'étape c), et de séparer chaque composant de la partie de couche intermédiaire liée à sa face inférieure. Cette étape remplit donc à elle seule deux fonctions, habituellement dissociées dans les procédés connus de l'art antérieur. Par continue, on entend que la désoxydation de l'étape d) est réalisée selon une méthode donnée (i.e. qui ne varie pas) et sans interruption.
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Le procédé comprend avantageusement une étape d0), préalable à l'étape d), dans laquelle on détermine la durée de l'étape d). Cette détermination est réalisée en tenant compte de la quantité d'oxyde formée à l'étape c) et d'une quantité d'oxyde à retirer sur la couche intermédiaire. Elle doit au moins être suffisante pour qu'à l'issue de l'étape d), chaque composant soit libéré de tout oxyde sur ses faces supérieure, inférieure et latérale(s).
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L'étape d) peut notamment être réalisée par gravure humide, par exemple par gravure en phase vapeur, notamment par gravure à la vapeur d'acide fluorhydrique.
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Selon un exemple, dans une direction orthogonale à la direction transversale, chaque composant gravé à l'étape b) peut être délimité extérieurement par une face latérale formant un contour continu et fermé. Autrement dit, chaque composant peut être gravé individuellement dans la couche utile, sans attache avec le reste de cette couche. Dans ce cas, la désoxydation de l'étape d) libère chaque composant individuellement. Autrement dit, chaque composant est individualisé à l'issue de l'étape d).
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Selon un autre exemple, les composants gravés à l'étape b) peuvent chacun être reliés par une attache au reste de la couche utile.
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Dans ce cas, le procédé peut comprendre la libération d'une plaquette comprenant tout ou partie de la couche utile et portant lesdits composants. En particulier, l'étape d) peut résulter dans la libération d'une telle plaquette.
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Par plaquette, on entend une partie du substrat dans laquelle les composants ne sont plus recouverts, dans la direction transversale, ni par la couche intermédiaire ni par la couche de rigidification du substrat.
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Cette plaquette est alors avantageusement constituée par tout ou partie de la couche utile du substrat portant les composants horlogers.
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Selon un exemple, le procédé peut encore comprendre, après l'étape d), au moins une étape e) d'oxydation puis de désoxydation des composants, notamment de la plaquette portant lesdits composants.
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Selon un exemple, le procédé peut comprendre, après l'étape d) ou après l'étape e), au moins une étape f) d'oxydation finale des composants, notamment de la plaquette portant lesdits composants.
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Selon un exemple, le procédé peut encore comprendre, après l'une quelconque des étapes d), e), ou f), une étape g) de détachement de chaque composant de sa plaquette.
Brève description des dessins
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Les particularités et les avantages de la présente invention apparaîtront avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit avec un exemple de réalisation donné à titre illustratif et non limitatif en référence aux fi- gures ci-annexées sur lesquelles :
- Les figures 1a à 1g représentent schématiquement les étapes du procédé selon un mode de mise en oeuvre de l'invention.
- La figure 2 indique un séquencement d'étapes, optionnelles ou non, du procédé selon l'invention.
Description détaillée
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Le procédé décrit ci-après est adapté pour la fabrication de tout type de composants horlogers en silicium, notamment des roues d'échappement, spiraux, ancres, roues dentées, plateaux, aiguilles, balanciers.
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Une première étape a) du procédé consiste à fournir un substrat 100 (aussi couramment appelé wafer) adapté. Comme illustré sur la figure 1a, le substrat 100 est avantageusement de type silicium sur isolant (SOI), et comprend une couche utile en silicium 10 dans laquelle la ou les composants doivent être formés, une couche de rigidification 20 ici en silicium et une couche intermédiaire 30 d'oxyde, typiquement en dioxyde de silicium (SiO2), interposée entre la couche utile 10 et la couche de rigidification 20 dans une direction transversale Z du substrat 100.
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L'épaisseur e1 de la couche utile en silicium 10 dépend de l'épaisseur souhaitée pour les composants à fabriquer. Elle peut par exemple être comprise entre 50 et 500µm.
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La couche de rigidification 20 est généralement plus épaisse que la couche utile (e2 > e1), de sorte à assurer la rigidification du substrat 100.
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La couche intermédiaire 30 forme une couche de liaison entre la couche utile 10 et la couche de rigidification 20.
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Dans une étape b) du procédé, la couche utile 10 du substrat 100 est gravée, par exemple par gravure ionique réactive profonde (DRIE), pour y former les composants horlogers.
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La gravure peut être réalisée à travers un masque de résine photosensible 40. Dans ce cas, et comme illustré sur la figure 1b, on recouvre la couche utile 10 d'une couche de résine photosensible 42, puis, par photolithographie, on forme dans la couche de résine 42 une pluralité d'ouvertures 44 (voir figure 1c) correspondant aux contours de la pluralité de composants à fabriquer, à l'exception le cas échéant d'une portion non gravée ou attache conservée pour assurer la liaison entre le composant et le reste de la couche utile. Pour cela, la couche de résine 42 est typiquement exposée à l'aide d'une source lumineuse, à travers un photomasque 46 représentant le motif souhaité, comme illustré sur la figure 1b.
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Par gravure DRIE, on grave ensuite la couche utile 10 du substrat sur toute son épaisseur, sous les ouvertures 44 du masque 40, pour former les composants 1 (voir figure 1d).
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On définit pour chacun une face supérieure 2a, une face inférieure 2b opposée à la face supérieure 2a dans la direction transversale Z et une face latérale 2c, avec la face inférieure 2b de chaque composant en contact avec la couche intermédiaire 30.
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Le cas échéant, la face latérale peut définir un contour discontinu, interrompu par une attache, dans un plan orthogonal à la direction transversale Z.
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Comme illustré sur la figure 1e, la couche de résine 42 peut ensuite être éliminée, notamment par nettoyage au plasma d'oxygène ou par nettoyage chimique, typiquement dans un bain ou sous l'effet d'un spray contenant un produit pour enlever la résine.
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Également, dans une variante non représentée de mise en oeuvre, le procédé pourrait comprendre, préalablement à l'étape b) de gravure, une étape a') de réalisation d'une couche d'oxyde de silicium ou de nitrure, typiquement de nitrure de silicium, sur le substrat non gravé. Avantageusement, cette couche est une couche d'oxyde de silicium, obtenue par oxydation thermique du substrat. Dans ce cas, à l'étape b), cette couche d'oxyde ou de nitrure est gravée à travers les ouvertures de la résine pour former un masque supplémentaire, à travers lequel sera gravée la couche utile.
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Cette variante peut notamment présenter un intérêt lorsque l'épaisseur à graver (e1) est importante, la résine photosensible, « consommée » lors de la gravure DRIE, pouvant dans ce cas ne pas suffire.
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Dans une étape c) du procédé, le substrat gravé est ensuite oxydé thermiquement, habituellement dans un four d'oxydation thermique porté à une température comprise entre 900 et 1200°
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Au fur et à mesure de la réaction d'oxydation, le silicium libre S au niveau des faces supérieures et latérales des composants 1 est consommé et transformé en dioxyde de silicium D, faisant progressivement reculer l'interface entre le silicium et la nouvelle couche de dioxyde de silicium.
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Par silicium libre S, on entend le silicium qui n'est pas recouvert d'oxyde de silicium. Dans le cas où un masque de nitrure a par exemple été conservé sur le dessus du substrat, le silicium n'est libre que sur les faces latérales des composants.
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Le recul de l'interface de silicium gomme les défauts de surface initiaux, notamment les irrégularités (« scallops ») et micro-ouvertures superficielles liées la gravure, résultant aussi en une amélioration de la résistance mécanique des composants 1.
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A l'inverse, la face inférieure de chaque composant 1, recouverte par la couche intermédiaire 30, ne subit pas d'oxydation. L'interface de silicium en contact avec cette couche intermédiaire 30 reste donc inchangée et en particulier n'est pas décalée dans la direction transversale Z.
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Dans une variante particulière, lorsque l'oxydation a pour fonction d'ajuster la dimension des composants 1, l'étape c) peut être contrôlée en fonction d'une quantité de silicium à retirer déterminée préalablement.
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Par exemple, le procédé peut comprendre une étape préalable de mesure des composants gravés et de détermination de la quantité de silicium à retirer pour obtenir des dimensions souhaitées pour les composants. Dans ce cas, le temps d'oxydation est par exemple ajusté en fonction de ladite quantité.
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Selon l'invention, l'étape c) d'oxydation est suivie d'une étape de désoxydation d), illustrée par la figure 1g, qui, à elle seule, permet de libérer les composants de tout l'oxyde présent sur leur pourtour. Ainsi, la désoxydation retire à la fois l'oxyde formé après la gravure de l'étape b) sur les faces latérales 2c et supérieures 2a de composants 1, et celui, formant partie de la couche intermédiaire 30, en contact avec leurs faces inférieures 2b. Le cas échéant, elle peut aussi retirer le masque d'oxyde ou de nitrure formé avant la gravure de l'étape b) (étape a'). Avantageusement, à l'issue de l'étape d), chaque composant en silicium formé à l'étape b) a sa face inférieure, sa face supérieure et sa ou ses faces latérales libres de tout revêtement.
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La désoxydation, réalisée en une seule étape d) continue, termine le lissage ou la mise aux dimensions des composants 1 en retirant l'oxyde D formé lors de l'oxydation précédente, et libère les composants en retirant plus particulièrement l'oxyde sur la face inférieure 2b des composants 1.
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La désoxydation peut avantageusement être réalisée par gravure humide, notamment par gravure en phase vapeur, en particulier par gravure à la vapeur d'acide fluorhydrique.
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Si les composants ont été gravés sans attache, les composants 1 sont alors individualisés et libérés du reste du substrat 100 à l'étape d).
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Si les composants 1 sont liés par des attaches à la couche utile 10 du substrat 100, l'étape d) induit la libération d'une plaquette portant les composants horlogers 1. La plaquette est typiquement constituée par la couche utile 10 du substrat, portant les composants horlogers, ou par une partie de cette couche utile 10 délimitée lors de l'étape b) de gravure par une rainure périphérique. Le fait de libérer une telle plaquette permet notamment d'envisager des étapes supplémentaires de traitement (par exemple d'oxydation) des composants sur ladite plaquette ou à tout le moins de faciliter leur manipulation lors de telles nouvelles étapes de traitement.
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Une fois les composants ou la plaquette libérés, le procédé peut encore comprendre une ou plusieurs séquence(s) supplémentaire(s) e) d'oxydation/désoxydation, visant à lisser encore ou dimensionner les composants 1 et/ou au moins une étape d'oxydation finale f) des composants ou de la plaquette pouvant servir à la thermocompensation et/ou au renforcement mécanique des composants 1.
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Enfin, dans le cas de composants gravés avec attache et liés à une plaquette, le procédé peut se terminer par une étape g) de détachement des composants 1.