Domaine technique de l'invention
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La présente invention se rapporte au domaine de l'horlogerie. Plus précisément, elle concerne un procédé de fabrication d'un composant horloger, notamment d'un composant horloger en silicium.
État de la technique
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Dans le domaine de l'horlogerie, certaines applications requièrent l'utilisation de composants complexes ou multiniveaux.
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Ces composants sont typiquement obtenus en assemblant plusieurs éléments fabriqués séparément. C'est le cas par exemple des ancres, dans lesquelles le dard est assemblé sur la fourchette destinée à coopérer avec un organe réglant d'un mécanisme horloger.
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Par le passé, cet assemblage était réalisé par une technique dite de chassage, qui consiste à introduire à force un axe d'un élément à assembler dans un trou de l'autre élément.
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Il y a quelques années, on a aussi commencé à utiliser de nouveaux matériaux pour la fabrication des composants horlogers, dont le silicium.
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Le silicium étant un matériau fragile, il est difficilement compatible avec la méthode d'assemblage par chassage mentionnée précédemment ou à tout le moins peu adapté à la production industrielle du fait des nombreuses pertes liées à la casse. On a donc cherché de nouvelles techniques permettant la fabrication de composants complexes, en silicium.
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Une méthode de fabrication de composants horlogers multiniveaux par gravure dans une plaquette monolithique en silicium a par exemple été décrite dans la demande de brevet
EP 4 283 408 . Selon cette méthode, la plaquette est gravée par l'un de ses côtés, puis le côté gravé est recouvert d'une couche d'arrêt de gravure puis la plaquette est gravée par son second côté, au moins localement jusqu'à ladite couche d'arrêt.
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Mais ce procédé reste relativement complexe.
Résumé de l'invention
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La présente invention propose un nouveau procédé pour la fabrication de composants multiniveaux en silicium, qui soit une alternative au procédé connu de l'art antérieur et qui soit notamment plus simple de mise en oeuvre.
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L'invention concerne un procédé de fabrication d'au moins un composant horloger, le procédé comprenant au moins les étapes suivantes :
- a) on fournit un substrat s'étendant entre un premier côté et un deuxième côté dans une direction transversale , et comprenant une couche utile en silicium,
- f) on forme au moins une partie du composant horloger en gravant ladite couche utile, depuis le premier côté, sur au moins une zone principale et au moins une zone secondaire, avec au moins une couche de retardement éliminable par gravure recouvrant initialement ladite au moins une zone secondaire de sorte que ladite couche de retardement soit gravée simultanément avec ladite zone principale dans une première phase de gravure et de sorte que ladite zone secondaire soit gravée simultanément avec l'au moins une zone principale dans une deuxième phase de gravure, une fois ladite couche de retardement éliminée.
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Les étapes a) et f) sont typiquement réalisées dans cet ordre, avec interposition éventuelle d'autres étapes complémentaires.
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Le procédé selon l'invention permet donc la fabrication d'un composant horloger à au moins deux niveaux, autrement dit un composant comprenant une face supérieure, une face inférieure et au moins une surface intermédiaire entre lesdites faces supérieure et inférieure, la face supérieure, la face inférieure et la surface intermédiaire étant orthogonales ou sensiblement orthogonales à une direction transversale correspondant à la direction transversale du substrat dont le composant est issu et donc à la direction de la gravure ayant permis de l'obtenir..
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A l'issue de l'étape de gravure f), une surface intermédiaire du composant est formée sur la ou chaque zone secondaire, avec cette surface intermédiaire délimitant une partie du composant d'épaisseur égale à la différence entre l'épaisseur totale de la couche utile et l'épaisseur gravée sur ladite zone.
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Un composant obtenu grâce au procédé est par exemple muni d'une ou plusieurs cavités borgnes de mêmes dimensions ou de dimensions différentes. La surface de fond d'une cavité est une surface intermédiaire telle que définie précédemment, formant la jonction entre deux niveaux du composant.
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Les composants obtenus à l'aide du procédé selon l'invention sont des composants monolithiques en silicium. Par composant monolithique on entend ici un bloc massif fait d'un seul matériau.
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Le procédé selon l'invention peut notamment, mais non limitativement, être mis en oeuvre pour la fabrication d'ancres, de roues, de balanciers, de plateaux, d'aiguilles, de cadrans, de spiraux ou encore d'éléments à lame(s) flexible(s).
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Il peut aussi être mis en oeuvre pour la fabrication simultanée, sur un même substrat, d'une pluralité de composants horlogers de même type ou de types différents, et de même forme ou de formes différentes.
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Le procédé selon l'invention permet de former différents niveaux du composant au cours d'une même étape f) de gravure.
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L'étape f) de gravure permet de former tout ou partie du composant horloger. Autrement dit, à l'issue de l'étape f), le ou chaque composant peut être entièrement formé, avec ses au moins deux niveaux, ou le procédé peut comporter des étapes de gravure supplémentaires, avant ou après l'étape f), et destinées à compléter la formation du composant.
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Une zone principale délimite typiquement au moins un premier niveau du composant horloger. Une zone secondaire délimite typiquement au moins un deuxième niveau du composant horloger.
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Les zones principale(s) et secondaire(s) peuvent être disjointes ou au moins une zone principale et une zone secondaire peuvent être contiguës.
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Selon un exemple, au moins une zone principale délimite un bord externe du composant horloger. Par exemple, une telle zone principale peut former une rainure continue définissant un contour fermé. Dans ce cas, le composant a un contour fini autrement dit, dans une direction orthogonale à la direction transversale, chaque composant horloger est délimité extérieurement par une face latérale formant un contour continu et fermé. Dans un autre cas, cette zone peut correspondre au bord externe du composant à l'exception d'une portion non gravée appelée attache assurant la liaison entre le composant et le reste de la couche utile. Ce cas correspond à celui pour lequel on souhaite obtenir une plaquette portant le ou les composants horlogers plutôt qu'un ou des composants individuels.
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Selon un exemple, au moins une zone principale peut aussi délimiter un trou traversant du composant.
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La mise en place d'au moins une couche de retardement au-dessus de chaque zone secondaire entraîne un décalage temporel entre la gravure de la ou des zones principales et celle des zones secondaires ainsi couvertes. Au final, les zones principales sont gravées pendant une durée plus longue et par conséquent sur une épaisseur plus grande, que les zones secondaires. Le décalage de gravure entre les zones principale et secondaire dépend du temps nécessaire pour éliminer la couche de retardement au droit de la zone secondaire et donc de l'épaisseur et de la nature de cette couche. Chaque matériau a en effet un taux d'attaque à la gravure plus ou moins élevé. La vitesse de gravure peut donc varier considérablement selon le matériau gravé. La forme de la zone gravée influence également cette vitesse. L'ensemble de ces paramètres doivent donc être pris en compte lors de la détermination de l'épaisseur de la ou des couches de retardement et de la durée totale de gravure, pour aboutir aux dimensions souhaitées du composant. On peut aussi, en ajustant différemment l'épaisseur de la couche de retardement associée à plusieurs zones secondaires, réaliser un composant à plus de deux niveaux.
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Selon un exemple, à l'étape f), on grave la couche utile sur les zones principale(s) et secondaire(s) en une seule étape continue de gravure.
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Selon un exemple, la gravure est une gravure ionique réactive profonde aussi appelée gravure DRIE pour Deep Reactive Ion Etching.
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Selon un exemple, à l'étape f), l'au moins une zone principale est gravée sur l'épaisseur totale de la couche utile et l'au moins une zone secondaire est gravée sur une épaisseur intermédiaire prédéterminée, inférieure à l'épaisseur totale de la couche utile.
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En pratique, soit on contrôle l'avancement de la gravure en temps réel et on stoppe la gravure dès que la zone secondaire est gravée sur l'épaisseur intermédiaire prédéterminée, soit on détermine au préalable - empiriquement ou par calcul - une durée t2 de gravure pour laquelle l'épaisseur intermédiaire doit être obtenue, et on stoppe la gravure après cette durée t2. On peut aussi combiner ces deux méthodes de contrôle.
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L'épaisseur de l'au moins une couche de retardement est aussi choisie de sorte que la gravure de la zone secondaire sur ladite épaisseur intermédiaire prédéterminée coïncide avec une gravure de la zone principale sur l'épaisseur totale de la couche utile. Autrement dit, l'épaisseur de l'au moins une couche de retardement est choisie de sorte qu'à un instant t2 où la zone secondaire est gravée sur une épaisseur intermédiaire prédéterminée, la zone principale est gravée sur son épaisseur totale. La gravure de la zone principale sur l'épaisseur totale de la couche utile peut toutefois intervenir avant ou précisément à cet instant t2.
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Chaque zone secondaire peut être recouverte d'une unique couche de retardement ou d'au moins deux couches de retardement superposées. Les couches de retardement mises en oeuvre sur une même zone ou sur des zones différentes peuvent être réalisées dans des matériaux similaires ou différents.
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Une couche de retardement peut par exemple être une couche de résine photosensible. Il peut aussi s'agir d'une couche d'oxyde ou de tout autre matière adaptée, pouvant être éliminée par gravure. On pourra adapter l'épaisseur de la couche de retardement en fonction de la vitesse d'attaque du matériau constituant cette couche, laquelle vitesse peut être variable selon les matériaux.
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Le substrat de l'étape a) peut être un substrat massif, sous la forme d'une unique couche monolithique en silicium (couche utile).
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Comme alternative avantageuse, le substrat de l'étape a) peut comprendre la couche utile en silicium, une couche intermédiaire d'oxyde et une couche de rigidification superposées dans cet ordre dans la direction transversale entre le premier et le deuxième côté. Ce type de substrat, connu sous le nom de substrat SOI (en anglais Silicon On Insulation), a comme avantage que la couche d'arrêt de gravure y est directement intégrée. On peut ainsi s'affranchir de l'étape de réalisation d'une telle couche d'arrêt, présente dans le procédé antérieur de la demande
EP 4 283 408 . Dans un substrat SOI, la couche utile est aussi appelée couche « device ». Son épaisseur est par exemple comprise entre 50 microns et 500 microns. La couche de rigidification est aussi appelée couche « handle » et peut par exemple être en silicium. La couche intermédiaire, qui forme couche d'arrêt, peut notamment être en dioxyde de silicium.
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Le substrat, qu'il soit massif ou de type SOI, est un élément généralement fin et plat, sa direction transversale correspondant à la direction de son épaisseur et à la direction selon laquelle il est gravé pendant le procédé.
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Selon un exemple, le procédé comprend, avant l'étape f), une étape c) dans laquelle on réalise, sur le premier côté du substrat, au moins un masque secondaire pour la gravure de l'au moins une zone secondaire et une étape e) dans laquelle on réalise, sur le même premier côté, un masque principal pour la gravure de l'au moins une zone principale.
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Selon un exemple, le procédé comprend, avant l'étape c), une étape b) dans laquelle on forme une couche d'oxyde sur le premier côté du substrat et à l'étape c), on réalise le masque secondaire en gravant ladite couche d'oxyde pour y former des ouvertures recouvrant et/ou délimitant l'au moins une zone secondaire.
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Selon un exemple, le procédé comprend, après l'étape c) et avant l'étape e), une étape d) dans laquelle on recouvre le masque secondaire avec au moins une couche de retardement.
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Selon un exemple, à l'étape e), on réalise le masque principal dans l'au moins une couche de retardement. Autrement dit, on forme dans ladite couche de retardement des ouvertures délimitant l'au moins une zone primaire.
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Le procédé peut en outre comprendre, après l'étape f), une étape g) de libération du composant fabriqué. Pour cela, dans le cas d'un substrat SOI, on élimine la couche intermédiaire du substrat au moins en regard dudit composant. L'étape de libération est par exemple réalisée par gravure en phase vapeur, notamment par gravure à l'acide fluorhydrique en phase vapeur. Dans le cas d'un substrat massif, la couche d'arrêt ayant servi pour la gravure du composant est éliminée au moins en regard de ce dernier. L'étape g) a pour résultat de libérer soit un composant individuel lorsque celui-ci a été gravé sans attache, soit une plaquette portant le composant lorsque celui-ci a été gravé avec attache.
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Selon un exemple, à l'issue de l'étape f), ou le cas échéant de l'étape g), on réalise au moins une fois une étape h) comprenant une oxydation et une désoxydation du composant.
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Selon un exemple, le procédé comprend en outre, à l'issue de l'étape f), et le cas échéant de l'étape g) et/ou h), une étape i) d'oxydation finale du com posant.
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Lorsque c'est une plaquette qui a été libérée à l'étape g), le procédé peut en outre comprendre une étape finale de détachement des composants de ladite plaquette.
Brève description des dessins
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Les particularités et les avantages de la présente invention apparaîtront plus en détails dans le cadre de la description qui suit avec un exemple de réalisation donné à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures annexées sur lesquelles :
- Les figure 1A à 1L illustrent un premier mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention,
- La figure 2 illustre un exemple de composant horloger pouvant être fabriqué grâce au procédé de l'invention.
Description détaillée
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Le procédé selon l'invention permet la fabrication d'un composant 1 ou d'une pluralité de composants 1 en silicium à au moins deux niveaux I, II dans un substrat 100 comprenant une couche de silicium appelée couche utile 10.
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La figure 2 représente à titre d'exemple une ancre 1 à deux niveaux pouvant être fabriquée à l'aide de ce procédé. Cet exemple n'est toutefois pas limitatif et le procédé pourra s'appliquer de manière équivalente ou similaire à tout autre type de composants horlogers, par exemple des roues, des balanciers, des plateaux, des aiguilles, des spiraux ou des éléments à lame(s) flexible(s).
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Une ancre 1 telle qu'illustrée sur la figure 2 est destinée à équiper un échappement d'un mouvement d'horlogerie (non représenté). L'ancre 1 est un élément monolithique en silicium. Elle présente une face supérieure 1a et une face inférieure 1b parallèles, avec la distance entre ces deux faces correspondant à l'épaisseur totale e de l'ancre, mesurée dans une direction transversale Z'. Cette épaisseur totale e correspond à l'épaisseur de la couche utile 10 dont est issue l'ancre 1.
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L'ancre 1 présente ici une forme globale de T avec une tige centrale 2 et, à une extrémité de cette tige 2, une tête 3 munie d'un trou traversant 4 destiné à accueillir un axe de pivotement (non représenté). L'ancre 1 comporte également deux palettes 5a, 5b respectivement formées à une extrémité de la tête 3 et, à l'extrémité de la tige 2 opposée à la tête 3, une fourchette 6 destinée à coopérer avec un organe réglant (non représenté) du mouvement, par exemple un balancier-spiral. La fourchette 6 comporte deux cornes 7a, 7b délimitant entre elles un dard 8 d'épaisseur réduite, par ailleurs délimité dans la direction transversale Z' par une surface intermédiaire 9 située entre les deux faces principales 1a, 1b de l'ancre.
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La surface intermédiaire 9 du dard forme une surface de jonction entre les deux niveaux I, II de l'ancre 1, superposés selon la direction transversale Z'.
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Le premier niveau I a une hauteur H1. Le deuxième niveau II a une hauteur H2.
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Le substrat 100 dans lequel le composant est formé est illustré sur la figure 1A. Il est globalement mince et plat, et délimité, dans la direction de son épaisseur ou direction transversale Z, entre un premier côté 101 et un deuxième côté 102. Comme il ressortira de la suite, la direction transversale Z' des composants 1 qui y seront formés sera parallèle à cette direction transversale Z.
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Dans l'exemple illustré, le substrat 100 est un substrat de type SOI (pour l'anglais « Silicium On Insulation ») qui comporte, outre sa couche utile 10, une deuxième couche ou couche de rigidification 20 et une couche intermédiaire d'oxyde 30 interposée entre la couche utile 10 et la couche de rigidification 20 dans la direction transversale Z. L'utilisation d'un tel substrat 100 connu sous le nom de substrat SOI (pour l'anglais « Silicon On Insulation ») est avantageuse pour plusieurs raisons : la couche d'arrêt de gravure 30 est intégrée au substrat de sorte qu'une étape supplémentaire de préparation d'une couche d'arrêt dédiée peut être omise. Aussi, la couche de rigidification 20 permet d'éviter les déformations du substrat 100 qui pourraient impacter défavorablement la forme et la résistance des composants horlogers 1 formés.
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L'utilisation d'un substrat SOI n'est toutefois pas limitative et le substrat pourrait aussi être un substrat massif sous forme de plaquette monolithique en silicium.
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L'épaisseur e1 de la couche utile 10 du substrat 100 détermine l'épaisseur totale e du composant 1 (en particulier, e peut être égal à e1 en l'absence d'opérations d'oxydation thermique telles que décrites dans la suite). L'épaisseur e1 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.
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La couche intermédiaire 30 forme une couche de liaison entre la couche utile 10 et la couche de rigidification 20, et sert également de couche d'arrêt lors des opérations de gravure ionique réactive profonde (DRIE) qui seront décrites plus en détail dans la suite. Elle est typiquement en dioxyde de silicium (SiO2, aussi appelé communément oxyde de silicium).
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Comme illustré sur les figures 1I à 1L, le procédé selon l'invention comprend une étape de gravure, de préférence continue, au cours de laquelle des zones respectivement principales A et secondaires B de la couche utile 10 sont attaquées par bombardement ionique depuis le premier côté 101 du substrat 101. La gravure est typiquement une gravure ionique réactive profonde aussi appelée gravure DRIE.
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Les zones principales A sont des zones destinées à être gravées sur l'épaisseur totale de la couche utile 10. Ces zones sont typiquement des rainures délimitant extérieurement les composants 1 ou correspondent à des trous traversants tels que le trou 4, formés dans les composants 1. Elles définissent au moins les bords du premier niveau I.
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Les zones secondaires B sont des zones destinées à être gravées sur une épaisseur e' inférieure à l'épaisseur totale de la couche utile 10. Ces zones définissent les bords du deuxième niveau II.
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A titre d'illustration, on considérera dans la suite le plan de coupe V de la figure 2. Pour former cette partie de l'ancre 1, une zone secondaire B, destinée à former le dard 8, sera gravée sur une épaisseur intermédiaire e' correspondant à la hauteur H2 du deuxième niveau II. Une première zone principale A1 destinée à former le trou traversant 4et une seconde zone principale A2, attenante à la zone secondaire B et destinée à former le contour externe du dard, seront par ailleurs gravées sur l'épaisseur totale de la couche utile 10.
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La figure 1 illustre schématiquement, en lien avec ce plan de coupe V, différentes étapes du procédé selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention.
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Par souci de concision et de clarté, la présente description se focalisera sur la fabrication d'un seul composant. Néanmoins, et même s'il est théoriquement possible de fabriquer un unique composant à la fois, on souhaitera généralement fabriquer simultanément une pluralité de composants horlogers sur un même substrat. Ces composants peuvent être de même type ou de types différents, de même forme ou de formes différentes.
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Dans une étape a) du procédé, on fournit donc un substrat 100 comprenant une couche utile 10 en silicium.
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Dans une étape b) illustrée sur la figure 1B, une couche d'oxyde 40 est formée au moins sur le premier côté 101 du substrat 100, par exemple par oxydation thermique, généralement dans un four chauffé à une température avoisinant typiquement 1000°C. L'épaisseur de la couche d'oxyde 40 formée autour du substrat est typiquement comprise entre 0.5 et 4 microns.
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A noter qu'une oxydation thermique réduit légèrement l'épaisseur de silicium de la couche utile 10, le dioxyde de silicium étant formé au détriment du silicium (l'épaisseur de la couche utile passe de e1 à e, comme visible sur les figures 1A et 1B).
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Cette couche d'oxyde 40 est exploitée pour la préparation d'un sous-masque ou masque secondaire 44 qui servira plus tard à la gravure de zones secondaires B :
Dans une étape c1) illustrée sur la figure 1C, on recouvre la couche d'oxyde 40 avec une couche de résine photosensible 50 et, par photolithographie à l'aide d'un masque M1, on forme dans la couche de résine 50 au moins une ouverture 52. Dans une étape c2) illustrée sur la figure 1D, on grave la couche d'oxyde 40 à travers ladite ouverture 52 pour former des ouvertures 42 dans l'oxyde 40. Puis on retire la couche de résine 50 (figure 1E).
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Les ouvertures 42 du masque secondaire 44 délimitent ou a minima recouvrent la zone secondaire B mais peuvent aussi, en complément, recouvrir ou délimiter en partie une zone principale (ici A2).
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Dans une étape d) illustrée sur la figure 1F, on recouvre le masque secondaire 44 ainsi réalisé avec une couche de résine photosensible 60. Cette résine photosensible 60 recouvre donc la zone secondaire B précitée et forme pour cette zone B une couche de retardement de gravure. L'épaisseur de la couche 60 est choisie préalablement en fonction du taux d'attaque de la résine, de la hauteur H1, H2 souhaitée pour les niveaux I, II du composant 1, et de la forme de la zone secondaire B à graver.
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Dans une étape e), un masque de gravure dit primaire 64 est ensuite préparé pour la gravure des zones principales A1, A2. Dans une étape e1) illustrée sur la figure 1G, des ouvertures 62 délimitant les zones principales A1, A2 est réalisée dans la résine 60, par photolithographie à l'aide d'un masque M2. Puis dans une étape e2) illustrée sur la figure 1H, l'oxyde sous-jacent de la couche d'oxyde 40 est gravé - si nécessaire - à travers ces ouvertures 62.
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Enfin, dans une étape f) illustrée sur les figures 1I à 1L, les zones principales A1, A2 et secondaire B sont gravées par gravure ionique réactive profonde (aussi appelée DRIE pour Deep Reactive Ion Etching).
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Selon l'invention, lors du démarrage de la gravure à l'instant t0, la zone secondaire B est surmontée de la couche de retardement 60 qui décale donc le moment où cette zone B est gravée par rapport aux zones principales A1, A2 non protégées.
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Lors d'une première phase de gravure (figures 1I, 1J), les zones principales A1, A2 sont attaquées tandis que la zone secondaire B reste temporairement protégée par la couche de retardement 60 qui est cependant attaquée elle-aussi et donc éliminée progressivement. A un instant t1 (figure 1K), la couche de retardement 60 est entièrement retirée, dévoilant la zone secondaire B. A cet instant t1, chaque zone principale A1, A2 a déjà été gravée sur une certaine épaisseur qui correspond à la hauteur H1 du premier niveau I.
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Dans une deuxième phase de gravure, la zone secondaire B commence à être gravée elle-aussi tandis que la gravure des zones principales A1, A2 se poursuit. L'opération de gravure est finalement stoppée à un instant t2 pour lequel chaque zone principale A1, A2 a été gravée sur l'épaisseur totale e de la couche utile 10 tandis que la zone secondaire B n'a été gravée que sur une épaisseur intermédiaire e' inférieure à cette épaisseur totale e.
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On comprend aisément que l'épaisseur de la couche de retardement influence le décalage entre les gravures des zones principales A1, A2 et secondaires B et permet ainsi d'ajuster l'épaisseur des niveaux I, II du composant 1.
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Dans le but d'obtenir un composant à plus de deux niveaux, il est aussi possible de prévoir une épaisseur différente de la couche de retardement sur différentes zones secondaires B de sorte à graver au moins une zone secondaire B sur une première épaisseur intermédiaire e1', au moins une zone secondaire B sur une seconde épaisseur intermédiaire e2', etc.
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Dans une étape g) non illustrée, le composant est libéré. Dans l'exemple du substrat SOI illustré, celui-ci est typiquement désoxydé à l'acide, notamment à l'acide fluorhydrique, en phase vapeur, de sorte à éliminer sa couche intermédiaire 30 au moins en regard du composant horloger 1.
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Dans le cas d'un substrat massif, on retirerait alors la couche d'arrêt, typiquement en parylène, préparée pour la gravure sur le deuxième côté 102 du substrat 100.
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Dans le cas de composants 1 gravés avec attache, la désoxydation entraîne la libération d'une plaquette, comprenant tout ou partie de la couche utile 10 et portant les composants.
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Dans le cas de composants 1 gravés sans attache, la désoxydation entraîne la libération des composants individuels.
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En complément, le procédé peut comprendre au moins une séquence h) d'oxydation thermique puis désoxydation de la plaquette ou du ou des composants 1.
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Le procédé peut encore comprendre, à l'issue de l'étape g), et le cas échéant de l'étape h), une étape i) d'oxydation finale du ou des composants 1 (le cas échéant sur leur plaquette).
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Et finalement, dans le cas d'une plaquette, le procédé peut comprendre une étape j) dans laquelle les composants 1 sont détachés de leur plaquette.