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EP4383011A1 - Pièce de micromécanique horlogère et son procédé de fabrication - Google Patents

Pièce de micromécanique horlogère et son procédé de fabrication Download PDF

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Publication number
EP4383011A1
EP4383011A1 EP22211862.2A EP22211862A EP4383011A1 EP 4383011 A1 EP4383011 A1 EP 4383011A1 EP 22211862 A EP22211862 A EP 22211862A EP 4383011 A1 EP4383011 A1 EP 4383011A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mask
substrate
etching
micromechanical part
watchmaking
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22211862.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Rémy FOURNIER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Patek Philippe SA Geneve
Original Assignee
Patek Philippe SA Geneve
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Patek Philippe SA Geneve filed Critical Patek Philippe SA Geneve
Priority to EP22211862.2A priority Critical patent/EP4383011A1/fr
Publication of EP4383011A1 publication Critical patent/EP4383011A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B15/00—Escapements
    • G04B15/14—Component parts or constructional details, e.g. construction of the lever or the escape wheel
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B13/00—Gearwork
    • G04B13/02—Wheels; Pinions; Spindles; Pivots
    • G04B13/028—Wheels; Pinions; Spindles; Pivots wheels in which the teeth are conic, contrate, etc; also column wheels construction
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B15/00—Escapements
    • G04B15/06—Free escapements
    • G04B15/08—Lever escapements
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B19/00—Indicating the time by visual means
    • G04B19/04—Hands; Discs with a single mark or the like
    • G04B19/042—Construction and manufacture of the hands; arrangements for increasing reading accuracy
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04D—APPARATUS OR TOOLS SPECIALLY DESIGNED FOR MAKING OR MAINTAINING CLOCKS OR WATCHES
    • G04D3/00—Watchmakers' or watch-repairers' machines or tools for working materials
    • G04D3/0069—Watchmakers' or watch-repairers' machines or tools for working materials for working with non-mechanical means, e.g. chemical, electrochemical, metallising, vapourising; with electron beams, laser beams

Definitions

  • the present invention relates to a watchmaking micromechanical part based on silicon and its manufacturing process.
  • the present invention relates in particular to a watchmaking micromechanical part based on silicon formed by reactive ion etching of a substrate based on silicon.
  • DRIE deep reactive ion etching
  • a disadvantage of vertical engraving using the DRIE process is that the right-angled edges of the parts thus produced are sensitive to scratches, for example when driving the part on an axis.
  • Another disadvantage is the semi-finished appearance of the parts whose edges are not chamfered unlike what is customary for watchmaking micromechanical parts.
  • An aim of the present invention is to propose a micromechanical part based on silicon whose level of finish meets the requirements of the watchmaking industry.
  • Another aim of the present invention is to propose a manufacturing process making it possible to produce watchmaking micromechanical parts based on silicon having partially chamfered edges.
  • a watchmaking micromechanical part based on silicon comprising an upper face, a lower face opposite the upper face and side walls connecting the upper face to the lower face, the side walls forming the contour of the watchmaking micromechanical part, the contour comprising an upper edge at the intersection between the side walls and the upper face and a lower edge at the intersection between the side walls and the lower face, the contour comprising at least one chamfered portion in which the upper edge has a chamfer, and at least one right-angled portion in which the upper edge is at right angles.
  • the upper edge of the micromechanical part is partially chamfered makes it possible to give the upper face of the part, which is generally the one that remains visible when the part is integrated into a watch movement, a level of finish never before achieved. for silicon micromechanical parts which are difficult to machine mechanically. This also makes it possible to protect certain sensitive portions of the upper edge against scratches, due for example to mechanical stress on the part.
  • Another advantage of at least partially chamfering the visible edges of the micromechanical part is that this makes it possible to avoid the formation of paint beads on the edges when the silicon part is painted after its formation. Indeed, the phenomenon of capillarity tends to retain the paint on the edges of the silicon part, which creates a visual bead effect which is attenuated, or even eliminated, when the edge is chamfered.
  • the upper face and the lower face of the watchmaking micromechanical part are essentially flat.
  • the side walls are essentially vertical and the angle of the chamfer of the chamfered portion(s) relative to the vertical is between 10 degrees and 45 degrees, more preferably between 30 degrees and 45 degrees.
  • the height of the chamfer of the chamfered portion(s) measured in the direction of the height of the corresponding side wall, that is to say in a direction perpendicular to the plane of the upper face of the part, is for example between 20 micrometers and 50 micrometers.
  • the thickness of the watchmaking micromechanical part is for example between 80 micrometers and 300 micrometers, for example 150 micrometers.
  • the lower edge of the part has a chamfer whose angle relative to the vertical is between 5 degrees and 12 degrees. This allows easier driving of the part on an axis, for example.
  • the watchmaking micromechanical part belongs, for example, to the group comprising a jumper, in particular a jumper with negative stiffness, an anchor, a hand and a wheel.
  • a manufacturing process by reactive ion etching of such a watchmaking micromechanical part comprising the provision of a substrate based on of silicon, the formation of a first mask on an upper surface of the substrate, the first mask comprising first perforations to expose to etching the locations of the upper surface of the substrate corresponding to the chamfered portion(s), the formation of a second mask on the upper surface of the substrate, the second mask comprising second openings to expose for engraving the locations of the upper surface of the substrate corresponding to the entire contour of the watch micromechanical part, a first step of etching the substrate through the first perforations to engrave the chamfer of the chamfered portion(s), removal of the first mask, a second step of etching the substrate through the second perforations to form the side walls, removal of the second mask, detachment of the micromechanical part of the substrate.
  • the formation of the second mask is carried out after the first etching step and the removal of the first mask.
  • the first mask and the second mask are then, for example, both formed from silicon dioxide.
  • the first mask is formed, for example, from photosensitive resin and the second mask is formed, for example, from silicon dioxide.
  • the formation of the second mask is carried out before the formation of the first mask and before the first and second etching steps.
  • the first mask is formed by example of photosensitive resin and the second mask is formed for example of silicon dioxide.
  • the watchmaking micromechanical part 1 of the invention is a silicon-based part manufactured by reactive ion etching from a silicon-based substrate, for example from a silicon-based substrate. silicon on insulator (SOI, Silicon On Insulator).
  • SOI Silicon On Insulator
  • the watchmaking micromechanical part 1 is essentially flat with an upper face 11 corresponding to the upper face of the substrate from which the watchmaking micromechanical part 1 has been cut, and a lower face opposite the upper face, not visible on the figure 1 .
  • the contour of the watchmaking micromechanical part 1 as defined in the present application includes the exterior contour of the part as well as the possible interior contours bordering the possible functional and/or aesthetic days 13 of the watchmaking micromechanical part 1.
  • the outline of the watchmaking micromechanical part 1 comprises one or more chamfered portions 121 in which the upper edge, which is at the intersection of the corresponding wall 12 and the upper face 11, is chamfered, and one or more right-angled portions 122 in which the upper edge is at right angles.
  • the thickness of the micromechanical part 1 is between 80 and 300 micrometers; the thickness of the part is for example 150 micrometers. Other thicknesses are however possible for the micromechanical part 1 in the context of the invention, in particular thicknesses greater than 150 micrometers, for example due to technical and/or mechanical constraints linked to the use of the micromechanical part 1.
  • the chamfer of the chamfered portion(s) 121 is preferably rectilinear, or even slightly concave or slightly convex.
  • the average angle that the chamfer forms with the vertical, that is to say with the rest of the side wall 12, is between 10 degrees and 45 degrees, preferably between 30 degrees and 45 degrees.
  • the height of the chamfer measured vertically, that is to say in a direction perpendicular to the upper face 11, is preferably between 20 micrometers and 30 micrometers.
  • the micromechanical part of the invention is for example a jumper, for example a jumper with negative stiffness, an anchor, a hand, a wheel, or any other watchmaking micromechanical part.
  • micromechanical parts 1 are etched simultaneously on the same substrate wafer, or wafer.
  • the manufacturing process according to the invention is described below in relation to a micromechanical part. Those skilled in the art will, however, understand that it applies simultaneously and in the same way to all parts manufactured from the same wafer.
  • the silicon-based substrate 2 illustrated schematically in figure 2 , comprises for example monocrystalline silicon, doped monocrystalline silicon, polycrystalline silicon, doped polycrystalline silicon, porous silicon, silicon oxide, quartz, silica, silicon nitride or carbide silicon. When in the crystalline phase, silicon can have any crystal orientation.
  • the silicon-based substrate 2 is for example SOI comprising an upper layer 21 of silicon, an intermediate layer 22 of silicon oxide and a lower layer 23 of silicon. According to other embodiments not shown, the silicon-based substrate comprises a layer of silicon on a base made of a different material, for example metal.
  • the substrate is subjected to two successive etching steps: a first etching step to form the chamfers of the chamfered portion(s) of the micromechanical part and a second step to form the side walls of the piece.
  • a first etching step to form the chamfers of the chamfered portion(s) of the micromechanical part
  • a second step to form the side walls of the piece.
  • the substrate is covered with a first mask comprising first openings to expose to engraving only the areas of the upper surface of the substrate 2 corresponding to the portions of the contour of the part to be chamfered.
  • the substrate is covered with a second mask comprising second perforations to expose the entire contour to engraving.
  • the first mask 31 is formed in a known manner on the substrate 2 from a material capable of resisting etching.
  • the first mask 31 comprising the first apertures 310 is for example formed from silicon dioxide or photosensitive resin on the upper part of the upper layer 21 in silicon.
  • the first mask 31 only reveals the locations corresponding to the chamfered portions 121 of the part to be manufactured, the locations corresponding to the right-angled portions 122 of the part to be manufactured being covered by the first mask 31.
  • the first etching step for etching oblique walls in part of the thickness of the substrate 2 from the first openings 310 is produced in an etching chamber.
  • the oblique walls thus engraved will form the chamfer(s) of the micromechanical part.
  • the first etching step is an essentially isotropic etching step which allows the formation, in the areas of the upper layer 21 of the substrate 2 which are exposed to etching through the first apertures 310, of bowls whose walls extend slightly under the first mask 31 at an open angle and a preferably substantially rectilinear orientation. Determining the shape and angle of the oblique walls determines the shape and angle of the chamfers of the micromechanical part to be manufactured.
  • the first etching step is preferably carried out by mixing in the etching chamber etching gas, for example sulfur hexafluoride (SF6), and passivation gas, for example octafluorocyclobutane (C4F8).
  • etching gas for example sulfur hexafluoride (SF6)
  • passivation gas for example octafluorocyclobutane (C4F8).
  • the proportion between the etching gas and the passivation gas makes it possible to determine the angle of the oblique walls thus etched.
  • the angle of the oblique walls relative to the vertical is between 10° and 45°, even more preferably between 35° and 45°.
  • the method of introducing the gases into the etching chamber typically in a pulsed manner, makes it possible to control the direction of the etching and thus define the shape of the oblique walls, for example rectilinear, or slightly convex or concave.
  • the first mask is preferably removed in a known manner from the substrate 2 ( Figure 5 ).
  • a second etching mask comprising second apertures 320 is preferably formed in a known manner on the substrate from a material capable of resisting etching ( Figure 6 ).
  • the second mask 32 is for example formed from silicon dioxide on the upper part of the upper silicon layer 21 of the substrate 2. According to the invention, the second mask 32 discovers all the locations corresponding to the contours of the part to be manufactured , thus discovering the locations corresponding to the chamfered portions 121 and the locations corresponding to the right-angled portions 122.
  • the second mask 32 covers the locations of the upper surface of the substrate 2 which correspond to the upper face of the part to be manufactured.
  • the removal of the first mask and the formation of the second mask 32 are preferably carried out outside the etching chamber.
  • the second etching step for etching vertical walls from the second perforations 230 throughout the thickness of the upper silicon layer 21 of the substrate 2 is carried out in a engraving chamber.
  • the second engraving step thus makes it possible to form the outline of the micromechanical part.
  • the second engraving step is for example carried out in the same engraving chamber as the first engraving step.
  • the second etching step is essentially anisotropic and thus makes it possible to form substantially vertical walls 12 from the second apertures 320 of the second mask 32, preferably in a known manner by alternating etching phases during which the substrate 2 is exposed to the gas etching, and passivation phases during which the substrate 2 is exposed to the passivation gas.
  • the second engraving step is optionally completed by an engraving phase a little longer than the previous ones so as to accentuate the engraving in the lower part of the side walls and thus form a slightly oblique lower edge, schematically illustrated in Figure 1. figure 8 .
  • Such a slightly oblique lower edge with an angle preferably between 5° and 10° relative to the vertical, is advantageous for example if the micromechanical part thus manufactured must be driven for example on an axis, to avoid scratching of the lower edge when driving.
  • the formation of this slightly oblique lower edge by extension of the last step of engraving is commonly called notching.
  • the second engraving step is optionally completed by an isotropic engraving phase similar to the first engraving step in order to also create on the lower edges of the part a chamfer as described above in relation to the chamfered portions.
  • the watchmaking micromechanical part 1 is preferably released in a known manner from the second mask and the substrate 2.
  • a deoxidation step is for example carried out in order to remove the second silicon oxide mask and, possibly , part of the intermediate layer 22 in silicon oxide.
  • a step of releasing the substrate 2 from the micromechanical part is carried out for example using a selective chemical attack to disintegrate the intermediate layer 22.
  • the first etching step and the second etching step can be carried out in the same etching chamber using the same etching and passivation gases, but according to different protocols, for example exposure times to each different gas, different gas mixtures, etc. in order to obtain a different result at each engraving step.
  • the first mask exposing only the chamfered portions of the contour of the part is removed and the second mask exposing the complete contour of the part is formed on the substrate.
  • the substrate is thus removed from the etching chamber after the first etching step and reintroduced into the etching chamber or chambers after the formation of the second mask.
  • the first mask 31 and the second mask 32 are both formed on the substrate 2 before the first etching step.
  • the second mask 32 is formed in a known manner on the substrate 2 to from a material capable of withstanding the etching stages of the process.
  • the second mask 32 is for example formed from silicon dioxide.
  • the second mask 32 is formed on the upper surface of the substrate 2. According to the invention, the second mask 32 discovers all the locations of the upper silicon layer 21 corresponding to the contour of the part to be manufactured, thus discovering the locations corresponding to the or to the chamfered portions 121 and the locations corresponding to the right-angled portion(s) 122.
  • the first mask 31 is then formed on the upper surface of the substrate 2 already carrying the second mask 32.
  • the first mask 31 is therefore formed at least partially on the second mask 32.
  • the first mask 31 is formed on the substrate 2 from a material capable of resisting the etching steps of the process, but capable of being removed in the etching chamber and without damaging the second mask 32.
  • the first mask 31 is for example formed from a photosensitive resin.
  • the first mask 31 comprises the first apertures 310 which make it possible to expose to engraving only the locations corresponding to the chamfered portion(s) 121 of the contour of the part to be manufactured, the locations corresponding to the portion(s) at right angles 122 to the contour of the part to be manufactured being covered by the first mask 31.
  • the first essentially isotropic etching step to etch oblique walls is carried out in an etching chamber in order to form the chamfered edges of the micromechanical part, as explained above.
  • the first mask 31 is removed in the etching chamber, for example using oxygen plasma. Oxygen is introduced into the etching chamber, which will dissolve the first photoresist mask.
  • the second engraving step for engraving the vertical walls 12 from the second openings 320 of the second mask 32 is carried out in the engraving chamber, thus forming the contour of the micromechanical part, as explained above.
  • the second etching step being essentially anisotropic, the oblique walls formed during the first etching step, which are at least partially covered by the second mask 32, are practically not affected by the second etching step.
  • the second engraving step is optionally finished with a notching phase: an engraving phase a little longer than the previous ones so as to create a slightly oblique lower edge.
  • the second engraving step is optionally completed by an isotropic engraving phase similar to the first engraving step in order to also create on the lower edges of the part a chamfer as described above in relation to the chamfered portions.
  • the micromechanical part is preferably released in a known manner from the second mask and the substrate.
  • a deoxidation step is for example carried out in order to remove the second silicon dioxide mask and, possibly, part of the intermediate silicon oxide layer.
  • a step of releasing the substrate from the micromechanical part is carried out for example using a selective chemical attack to disintegrate the intermediate layer.
  • the watchmaking micromechanical part 1 of the invention based on silicon can be subjected to finishing operations, for example surface treatments, to improve its physical resistance and/or its aesthetic appearance.
  • the manufacturing process according to the invention makes it possible to produce a watchmaking micromechanical part whose aesthetic appearance corresponds to the criteria of the watch industry in that its upper face has a higher level of finish than that of the silicon-based watch micromechanics parts of the prior art.
  • the combination of the first essentially isotropic etching step through the first mask, and the second essentially anisotropic etching step through the second mask with perforations different from those of the first mask makes it possible to obtain a part whose edge upper is partially chamfered, thus making it possible to highlight, and also to protect from scratches, certain selected portions of the piece.
  • This partial chamfering of the upper edge of the silicon micromechanical part thus produced also makes it possible to attenuate, or even completely avoid, the formation of paint beads, at least on the chamfered portions, when the part is painted after its manufacturing.

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Abstract

Pièce de micromécanique horlogère (1) à base de silicium, comprenant une face supérieure (11), une face inférieure opposée à la face supérieure (11) et des parois latérales (12) reliant la face supérieure (11) à la face inférieure, les parois latérales (12) formant le contour de la pièce de micromécanique horlogère (1), le contour comprenant une arête supérieure à l'intersection entre les parois latérales (12) et la face supérieure (11) et une arête inférieure à l'intersection entre les parois latérales (12) et la face inférieure, le contour comprenant au moins une portion chanfreinée (121) dans laquelle l'arête supérieure comporte un chanfrein, et au moins une portion à angle droit (122) dans laquelle l'arête supérieure est à angle droit.

Description

  • La présente invention concerne une pièce de micromécanique horlogère à base de silicium et son procédé de fabrication. La présente invention concerne en particulier une pièce de micromécanique horlogère à base de silicium formée par gravure ionique réactive d'un substrat à base de silicium.
  • Il est connu de réaliser des pièces de micromécanique horlogère par micro-usinage d'un substrat de silicium mono- ou polycristallin. Le document de brevet EP 0 732 635 A1 , par exemple, décrit la réalisation d'une ancre d'échappement en silicium. Le micro-usinage du silicium consiste en grande partie en des opérations de gravure. Pour donner aux pièces la forme désirée, on se sert généralement d'un masque de gravure qu'on a préalablement formé et structuré sur la surface de la plaquette de silicium.
  • La technique de gravure la plus répandue est appelée gravure ionique réactive profonde (ou DRIE, Deep Reactive Ion Etching) qui consiste à soumettre un substrat à base de silicium à une phase d'attaque suivie d'une phase de passivation et à répéter cette séquence jusqu'à obtenir, à partir du motif du masque, une gravure anisotrope, c'est-à-dire sensiblement verticale, dans une couche supérieure du substrat. La séquence formée d'une phase de gravure suivie d'une phase de passivation est répétée un grand nombre de fois jusqu'à obtenir une ouverture qui traverse verticalement de part en part la couche supérieure du substrat, dont l'épaisseur est de de l'ordre d'une centaine à quelques centaines de micromètres.
  • Un tel procédé est décrit par exemple dans le brevet US 5,501,893 au nom de Robert Bosch GmbH, qui propose de graver des profils à flancs quasiment verticaux dans un substrat en silicium en faisant alterner les étapes de dépôt d'une couche de passivation inerte et de gravure par plasma. Les étapes de dépôt de la couche de passivation et celles de gravure font toutes appel à des composés fluorés, de sorte qu'elles se déroulent dans un même contexte chimique. Chaque étape dure quelques secondes, la couche de passivation est formée sur toute la surface du substrat, de sorte que ce dernier est protégé contre toute gravure subséquente. Durant l'étape de gravure qui suit, le bombardement par des ions qui sont accélérés verticalement désintègre la partie de la couche de passivation qui se trouve au fond des profils mais pas celle qui recouvre les flancs de ceux-ci. Le fond des profils est ainsi très vite exposé à la gravure réactive.
  • Un inconvénient de la gravure verticale selon le procédé DRIE est que les arêtes à angle droit des pièces ainsi réalisées sont sensibles aux égrisures, par exemple lors du chassage de la pièce sur un axe.
  • Un autre inconvénient est l'aspect semi-fini des pièces dont les arêtes ne sont pas chanfreinées contrairement à ce qui est l'usage pour les pièces de micromécanique horlogère.
  • Un but de la présente invention est de proposer une pièce de micromécanique à base de silicium dont le niveau de finition satisfait aux exigences de l'industrie horlogère.
  • Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication permettant de réaliser des pièces de micromécaniques horlogère à base de silicium ayant des arêtes partiellement chanfreinées.
  • Ces buts et d'autres avantages sont atteints à l'aide d'une pièce de micromécanique horlogère à base de silicium comprenant une face supérieure, une face inférieure opposée à la face supérieure et des parois latérales reliant la face supérieure à la face inférieure, les parois latérales formant le contour de la pièce de micromécanique horlogère, le contour comprenant une arête supérieure à l'intersection entre les parois latérales et la face supérieure et une arête inférieure à l'intersection entre les parois latérales et la face inférieure, le contour comprenant au moins une portion chanfreinée dans laquelle l'arête supérieure comporte un chanfrein, et au moins une portion à angle droit dans laquelle l'arête supérieure est à angle droit.
  • Le fait que l'arête supérieure de la pièce de micromécanique soit partiellement chanfreinée permet de conférer à la face supérieure de la pièce, qui est généralement celle qui reste visible lorsque la pièce est intégrée dans un mouvement horloger, un niveau de finition encore jamais atteint pour des pièces de micromécanique en silicium qui sont difficilement usinables mécaniquement. Cela permet aussi de protéger certaines portions sensibles de l'arête supérieure contre les égrisures, dues par exemple à des contraintes mécaniques sur la pièce. Un autre avantage de chanfreiner au moins partiellement les arêtes visibles de la pièce de micromécanique est que cela permet d'éviter la formation de bourrelets de peinture sur les arêtes lorsque la pièce en silicium est peinte après sa formation. En effet, le phénomène de capillarité tend à retenir la peinture sur les arêtes de la pièce en silicium, ce qui crée un effet visuel de bourrelet qui est atténué, voire supprimé, lorsque l'arête est chanfreinée.
  • De préférence, la face supérieure et la face inférieure de la pièce de micromécanique horlogère sont essentiellement planes. De préférence également, les parois latérales sont essentiellement verticales et l'angle du chanfrein de la ou des portions chanfreinées par rapport à la verticale est compris entre 10 degrés et 45 degrés, plus préférentiellement entre 30 degrés et 45 degrés.
  • La hauteur du chanfrein de la ou des portions chanfreinées mesurée dans la direction de la hauteur de la paroi latérale correspondante, c'est-à-dire dans une direction perpendiculaire au plan de la face supérieure de la pièce, est par exemple comprise entre 20 micromètres et 50 micromètres.
  • L'épaisseur de la pièce de micromécanique horlogère est par exemple comprise entre 80 micromètres et 300 micromètres, par exemple 150 micromètres.
  • Optionnellement, l'arête inférieure de la pièce comporte un chanfrein dont l'angle par rapport à la verticale est compris entre 5 degrés et 12 degrés. Cela permet un chassage plus aisé de la pièce sur un axe, par exemple.
  • La pièce de micromécanique horlogère appartient par exemple au groupe comprenant un sautoir, en particulier un sautoir à raideur négative, une ancre, une aiguille et une roue.
  • Les buts évoqués plus haut et d'autres avantages sont atteints en outre à l'aide d'un procédé de fabrication par gravure ionique réactive d'une telle pièce de micromécanique horlogère, le procédé comprenant la mise à disposition d'un substrat à base de silicium, la formation d'un premier masque sur une surface supérieure du substrat, le premier masque comprenant des premiers ajourages pour exposer à la gravure les emplacements de la surface supérieure du substrat correspondant à la ou aux portions chanfreinées, la formation d'un deuxième masque sur la surface supérieure du substrat, le deuxième masque comprenant des deuxièmes ajourages pour exposer à la gravure les emplacements de la surface supérieure du substrat correspondant à l'ensemble du contour de la pièce de micromécanique horlogère, une première étape de gravure du substrat à travers les premiers ajourages pour graver le chanfrein de la ou des portions chanfreinées, le retrait du premier masque, une deuxième étape de gravure du substrat à travers les deuxièmes ajourages pour former les parois latérales, le retrait du deuxième masque, le détachement de la pièce de micromécanique du substrat.
  • Selon une forme d'exécution du procédé de l'invention, la formation du deuxième masque est réalisée après la première étape de gravure et le retrait du premier masque. Le premier masque et le deuxième masque sont alors par exemple formés tous deux en dioxyde de silicium. Alternativement, le premier masque est formé par exemple en résine photosensible et le deuxième masque est formé par exemple en dioxyde de silicium.
  • Selon une autre forme d'exécution du procédé de l'invention, la formation du deuxième masque est réalisée avant la formation du premier masque et avant les première et deuxième étapes de gravure. Le premier masque est formé par exemple en résine photosensible et le deuxième masque est formé par exemple en dioxyde de silicium.
  • La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit illustrée par les figures, où :
    • la figure 1 montre un détail d'une pièce de micromécanique horlogère selon l'invention ;
    • la figure 2 illustre schématiquement un substrat pour la fabrication d'une pièce de micromécanique horlogère selon l'invention ;
    • les figures 3 à 8 illustrent schématiquement des étapes de fabrication d'une pièce de micromécanique horlogère selon une forme d'exécution préférentielle de l'invention ;
    • les figures 9 et 10 illustrent schématiquement des étapes de fabrication d'une pièce de micromécanique horlogère selon une autre forme d'exécution de l'invention.
  • En référence à la figure 1, la pièce de micromécanique horlogère 1 de l'invention dont seule une partie est représentée, est une pièce à base de silicium fabriquée par gravure ionique réactive à partir d'un substrat à base de silicium, par exemple à partir d'un substrat de silicium sur isolant (SOI, Silicon On Insulator). La pièce de micromécanique horlogère 1 est essentiellement plane avec une face supérieure 11 correspondant à la face supérieure du substrat dans lequel la pièce de micromécanique horlogère 1 a été découpée, et une face inférieure opposée à la face supérieure, non visible sur la figure 1. Une ou plusieurs parois latérales 12, de préférence essentiellement verticales, relient la face supérieure 11 à la face inférieure et forment ainsi le contour de la pièce. Le contour de la pièce de micromécanique horlogère 1 tel que défini dans la présente demande comprend le contour extérieur de la pièce ainsi que les éventuels contours intérieurs bordant des éventuels jours 13 fonctionnels et/ou esthétiques de la pièce de micromécanique horlogère 1. Selon l'invention, le contour de la pièce de micromécanique horlogère 1 comprend une ou plusieurs portions chanfreinées 121 dans lesquelles l'arête supérieure, qui est à l'intersection de la paroi 12 correspondante et de la face supérieure 11, est chanfreinée, et une ou plusieurs portions à angle droit 122 dans lesquelles l'arête supérieure est à angle droit.
  • Typiquement, l'épaisseur de la pièce de micromécanique 1 est comprise entre 80 et 300 micromètres ; l'épaisseur de la pièce est par exemple de 150 micromètres. D'autres épaisseurs sont cependant possibles pour la pièce de micromécanique 1 dans le cadre de l'invention, notamment des épaisseurs supérieures à 150 micromètres, par exemple en raison de contraintes techniques et/ou mécaniques liées à l'utilisation de la pièce de micromécanique 1. Le chanfrein de la ou des portions chanfreinées 121 est de préférence rectiligne, voire légèrement concave ou légèrement convexe. L'angle moyen que forme le chanfrein avec la verticale, c'est-à-dire avec le reste de la paroi latérale 12, est compris entre 10 degrés et 45 degrés, de préférence entre 30 degrés et 45 degrés. La hauteur du chanfrein mesurée verticalement, c'est-à-dire dans une direction perpendiculaire à la face supérieure 11, est de préférence comprise entre 20 micromètres et 30 micromètres.
  • La pièce de micromécanique de l'invention est par exemple un sautoir, par exemple un sautoir à raideur négative, une ancre, une aiguille, une roue, ou toute autre pièce de micromécanique horlogère.
  • De préférence, plusieurs pièces de micromécanique 1, de préférence identiques, sont gravées simultanément sur une même plaquette de substrat, ou wafer. Pour des raisons de simplification, le procédé de fabrication selon l'invention est décrit ci-dessous en relation avec une pièce de micromécanique. L'homme du métier comprendra cependant qu'il s'applique simultanément et de la même manière à toutes les pièces fabriquées à partir de la même plaquette.
  • Le substrat 2 à base de silicium, illustré schématiquement à la figure 2, comprend par exemple du silicium monocristallin, du silicium monocristallin dopé, du silicium polycristallin, du silicium polycristallin dopé, du silicium poreux, de l'oxyde de silicium, du quartz, de la silice, du nitrure de silicium ou du carbure de silicium. Lorsqu'il est sous phase cristalline, le silicium peut avoir n'importe quelle orientation cristalline. Le substrat 2 à base de silicium est par exemple du SOI comportant une couche supérieure 21 en silicium, une couche intermédiaire 22 en oxyde de silicium et une couche inférieure 23 en silicium. Selon d'autres formes d'exécution non représentées, le substrat à base de silicium comporte une couche de silicium sur une base en un matériau différent, par exemple en métal.
  • Selon le procédé de l'invention, le substrat est soumis à deux étapes de gravure successives : une première étape de gravure pour former les chanfreins de la ou des portions chanfreinées de la pièce de micromécanique et une deuxième étape pour former les parois latérales de la pièce. Durant la première étape de gravure, le substrat est recouvert d'un premier masque comprenant des premiers ajourages pour exposer à la gravure uniquement les zones de la surface supérieure du substrat 2 correspondant aux portions du contour de la pièce devant être chanfreinées. Durant la deuxième étape de gravure, le substrat est recouvert d'un deuxième masque comprenant des deuxièmes ajourages pour exposer à la gravure tout le contour. Après la deuxième étape de gravure, la pièce de micromécanique ainsi formée est détachée de manière connue de la plaquette.
  • Selon une forme d'exécution préférentielle du procédé de l'invention illustrée schématiquement par les figures 3 à 8, le premier masque 31 est formé de manière connue sur le substrat 2 à partir d'un matériau capable de résister à la gravure. Le premier masque 31 comprenant les premiers ajourages 310 est par exemple formé à partir de dioxyde de silicium ou en résine photosensible sur la partie supérieure de la couche supérieure 21 en silicium. Selon l'invention, le premier masque 31 ne découvre que les emplacements correspondant aux portions chanfreinées 121 de la pièce à fabriquer, les emplacements correspondant aux portions à angle droit 122 de la pièce à fabriquer étant recouverts par le premier masque 31.
  • Une fois le premier masque 31 formé à la surface du substrat 2, la première étape de gravure pour graver des parois obliques dans une partie de l'épaisseur du substrat 2 à partir des premiers ajourages 310 est réalisée dans une chambre de gravure. Les parois obliques ainsi gravées formeront le ou les chanfreins de la pièce de micromécanique.
  • La première étape de gravure est une étape de gravure essentiellement isotropique qui permet la formation, dans les zones de la couche supérieure 21 du substrat 2 qui sont exposées à la gravure à travers les premiers ajourages 310, de cuvettes dont les parois s'étendent légèrement sous le premier masque 31 selon un angle ouvert et une orientation de préférence sensiblement rectiligne. La détermination de la forme et de l'angle des parois obliques détermine la forme et l'angle des chanfreins de la pièce de micromécanique à fabriquer. La première étape de gravure est de préférence réalisée en mélangeant dans la chambre de gravure du gaz de gravure, par exemple de l'hexafluorure de soufre (SF6), et du gaz de passivation, par exemple de l'octafluorocyclobutane (C4F8). La proportion entre le gaz de gravure et le gaz de passivation permet de déterminer l'angle des parois obliques ainsi gravées. De préférence, l'angle des parois obliques par rapport à la verticale est compris entre 10° et 45°, de manière encore plus préférentielle entre 35° et 45°. Le mode d'introduction des gaz dans la chambre de gravure, typiquement de manière puisée, permet de contrôler la direction de la gravure et ainsi définir la forme des parois obliques, par exemple rectilignes, ou légèrement convexes ou concaves.
  • Suite à la première étape de gravure, le premier masque est retiré de préférence de manière connue du substrat 2 (figure 5).
  • Avant la deuxième étape de gravure 32, un deuxième masque de gravure comprenant des deuxièmes ajourages 320 est formé de préférence de manière connue sur le substrat à partir d'un matériau capable de résister à la gravure (figure 6). Le deuxième masque 32 est par exemple formé à partir de dioxyde de silicium sur la partie supérieure de la couche supérieure 21 en silicium du substrat 2. Selon l'invention, le deuxième masque 32 découvre tous les emplacements correspondant aux contours de la pièce à fabriquer, découvrant ainsi les emplacements correspondant aux portions chanfreinées 121 et les emplacements correspondant aux portions à angle droit 122. Le deuxième masque 32 recouvre les emplacements de la surface supérieure du substrat 2 qui correspondent à la face supérieure de la pièce à fabriquer.
  • Selon cette forme d'exécution du procédé de l'invention, le retrait du premier masque et la formation du deuxième masque 32 sont de préférence réalisés hors de la chambre de gravure.
  • Une fois le deuxième masque 32 formé à la surface du substrat 2, la deuxième étape de gravure pour graver des parois verticales à partir des deuxièmes ajourages 230 dans toute l'épaisseur de la couche supérieure 21 en silicium du substrat 2, est réalisée dans une chambre de gravure. La deuxième étape de gravure permet ainsi de former le contour de la pièce de micromécanique. La deuxième étape de gravure est par exemple réalisée dans la même chambre de gravure que la première étape de gravure.
  • En référence à la figure 7, la deuxième étape de gravure est essentiellement anisotropique et permet ainsi de former des parois 12 sensiblement verticales à partir des deuxièmes ajourages 320 du deuxième masque 32, de préférence de manière connue en alternant des phases de gravure durant lesquelles le substrat 2 est exposé au gaz de gravure, et des phases de passivation durant lesquelles le substrat 2 est exposé au gaz de passivation.
  • La deuxième étape de gravure est optionnellement terminée par une phase de gravure un peu plus longue que les précédentes de manière à accentuer la gravure dans la partie inférieure des parois latérales et ainsi former une arête inférieure légèrement oblique, schématiquement illustrée à la figure 8. Une telle arête inférieure légèrement oblique, avec un angle de préférence entre 5° et 10° par rapport à la verticale, est avantageuse par exemple si la pièce de micromécanique ainsi fabriquée doit être chassée par exemple sur un axe, pour éviter des égrisures de l'arête inférieure lors du chassage. La formation de cette arête inférieure légèrement oblique par prolongation de la dernière étape de gravure est communément appelée notching. Alternativement, la deuxième étape de gravure est optionnellement terminée par une phase de gravure isotropique similaire à la première étape de gravure afin de créer également sur les arêtes inférieures de la pièce un chanfrein tel que décrit plus haut en relation avec les portions chanfreinées.
  • Suite à la deuxième étape de gravure, la pièce de micromécanique horlogère 1 est libérée de préférence de manière connue du deuxième masque et du substrat 2. Une étape de désoxydation est par exemple réalisée afin de retirer le deuxième masque en oxyde de silicium et, éventuellement, une partie de la couche intermédiaire 22 en oxyde de silicium. Puis une étape de libération du substrat 2 de la pièce de micromécanique est réalisée par exemple à l'aide d'une attaque chimique sélective pour désagréger la couche intermédiaire 22.
  • Selon le procédé de l'invention, la première étape de gravure et la deuxième étape de gravure peuvent être réalisées dans la même chambre de gravure à l'aide des mêmes gaz de gravure et de passivation, mais selon des protocoles différents, par exemple des temps d'exposition à chaque gaz différents, des mélanges gazeux différents, etc. afin d'obtenir un résultat différent à chaque étape de gravure.
  • Selon la forme d'exécution du procédé de l'invention décrite plus haut, entre la première étape de gravure et la deuxième étape de gravure, le premier masque exposant uniquement les portions chanfreinées du contour de la pièce est retiré et le deuxième masque exposant le contour complet de la pièce est formé sur le substrat. Le substrat est ainsi retiré de la chambre de gravure après la première étape de gravure et réintroduit dans la ou une chambre de gravure après la formation du deuxième masque.
  • Selon une autre forme d'exécution du procédé de l'invention illustrée schématiquement par les figures 9 et 10, le premier masque 31 et le deuxième masque 32 sont formés tous les deux sur le substrat 2 avant la première étape de gravure. Le deuxième masque 32 est formé de manière connue sur le substrat 2 à partir d'un matériau capable de résister aux étapes de gravure du procédé. Le deuxième masque 32 est par exemple formé à partir de dioxyde de silicium. Le deuxième masque 32 est formé sur la surface supérieure du substrat 2. Selon l'invention, le deuxième masque 32 découvre tous les emplacements de la couche supérieure 21 en silicium correspondant au contour de la pièce à fabriquer, découvrant ainsi les emplacements correspondant à la ou aux portions chanfreinées 121 et les emplacements correspondant à la ou aux portions à angle droit 122.
  • Le premier masque 31 est ensuite formé sur la surface supérieure du substrat 2 portant déjà le deuxième masque 32. Le premier masque 31 est donc formé au moins partiellement sur le deuxième masque 32. Le premier masque 31 est formé sur le substrat 2 à partir d'un matériau capable de résister aux étapes de gravure du procédé, mais pouvant être retiré dans la chambre de gravure et sans endommager le deuxième masque 32. Le premier masque 31 est par exemple formé à partir d'une résine photosensible. Selon l'invention, le premier masque 31 comprend les premiers ajourages 310 qui permettent de n'exposer à la gravure que les emplacements correspondant à la ou aux portions chanfreinées 121 du contour de la pièce à fabriquer, les emplacements correspondant à la ou aux portions à angle droit 122 du contour de la pièce à fabriquer étant recouverts par le premier masque 31.
  • Une fois le deuxième masque 32 et le premier masque 31 formés à la surface du substrat 2, la première étape de gravure essentiellement isotrope pour graver des parois obliques est réalisée dans une chambre de gravure afin de former les arêtes chanfreinées de la pièce de micromécanique, comme expliqué plus haut.
  • Suite à la première étape de gravure, le premier masque 31 est retiré dans la chambre de gravure, par exemple à l'aide de plasma d'oxygène. De l'oxygène est introduit dans la chambre de gravure, qui va dissoudre le premier masque en résine photorésistante.
  • Une fois le premier masque 31 retiré du substrat 2 (figure 10), la deuxième étape de gravure pour graver les parois 12 verticales à partir des deuxièmes ajourages 320 du deuxième masque 32 est réalisée dans la chambre de gravure, formant ainsi le contour de la pièce de micromécanique, comme expliqué plus haut. La deuxième étape de gravure étant essentiellement anisotrope, les parois obliques formées durant la première étape de gravure, qui sont au moins partiellement couvertes par le deuxième masque 32, ne sont pratiquement pas affectées par la deuxième étape de gravure.
  • Comme expliqué précédemment, la deuxième étape de gravure est optionnellement terminée par une phase de notching : une phase de gravure un peu plus longue que les précédentes de manière à créer une arête inférieure légèrement oblique. Alternativement, la deuxième étape de gravure est optionnellement terminée par une phase de gravure isotropique similaire à la première étape de gravure afin de créer également sur les arêtes inférieures de la pièce un chanfrein tel que décrit plus haut en relation avec les portions chanfreinées.
  • Suite à la deuxième étape de gravure, la pièce de micromécanique est libérée de préférence de manière connue du deuxième masque et du substrat. Une étape de désoxydation est par exemple réalisée afin de retirer le deuxième masque en dioxyde de silicium et, éventuellement, une partie de la couche intermédiaire en oxyde de silicium. Puis une étape de libération du substrat de la pièce de micromécanique est réalisée par exemple à l'aide d'une attaque chimique sélective pour désagréger la couche intermédiaire.
  • De manière connue, la pièce de micromécanique horlogère 1 de l'invention à base de silicium peut être soumise à des opérations de finition, par exemple des traitements de surface, pour améliorer sa résistance physique et/ou son aspect esthétique.
  • Le procédé de fabrication selon l'invention permet de produire une pièce de micromécanique horlogère dont l'aspect esthétique correspond aux critères de l'industrie horlogère en ce que sa face supérieure présente un niveau de finition supérieur à celui des pièces de micromécanique horlogère à base de silicium de l'art antérieur. La combinaison de la première étape de gravure essentiellement isotrope à travers le premier masque, et de la deuxième étape de gravure essentiellement anisotrope à travers le deuxième masque avec des ajourages différents de ceux du premier masque, permet d'obtenir une pièce dont l'arête supérieure est partiellement chanfreinée, permettant ainsi de mettre en valeur, et également de protéger des égrisures, certaines portions choisies de la pièce. Ce chanfreinage partiel de l'arête supérieure de la pièce de micromécanique en silicium ainsi produite permet également d'atténuer, voire d'éviter complètement, la formation de bourrelets de peinture, au moins sur les portions chanfreinées, lorsque la pièce est peinte après sa fabrication.

Claims (12)

  1. Pièce de micromécanique horlogère (1) à base de silicium, comprenant une face supérieure (11), une face inférieure opposée à la face supérieure (11) et des parois latérales (12) reliant la face supérieure (11) à la face inférieure, les parois latérales (12) formant le contour de la pièce de micromécanique horlogère (1), le contour comprenant une arête supérieure à l'intersection entre les parois latérales (12) et la face supérieure (11) et une arête inférieure à l'intersection entre les parois latérales (12) et la face inférieure, le contour comprenant au moins une portion chanfreinée (121) dans laquelle l'arête supérieure comporte un chanfrein, et au moins une portion à angle droit (122) dans laquelle l'arête supérieure est à angle droit.
  2. Pièce de micromécanique horlogère (1) selon la revendication précédente, dans laquelle la face supérieure (11) et la face inférieure sont essentiellement planes.
  3. Pièce de micromécanique horlogère (1) selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle les parois latérales (12) sont essentiellement verticales et dans laquelle l'angle du chanfrein de la au moins une portion chanfreinée par rapport à la verticale est compris entre 10 degrés et 45 degrés, plus préférentiellement entre 30 degrés et 45 degrés.
  4. Pièce de micromécanique horlogère (1) selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle la hauteur du chanfrein de la au moins une portion chanfreinée (121) mesurée dans la direction de la hauteur de la paroi latérale (12) correspondante est comprise entre 20 micromètres et 50 micromètres.
  5. Pièce de micromécanique horlogère (1) selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle l'épaisseur de la pièce de micromécanique horlogère (1) est comprise entre 80 micromètres et 300 micromètres.
  6. Pièce de micromécanique horlogère (1) selon la revendication 5, dans laquelle l'épaisseur de la pièce de micromécanique horlogère (1) est de 150 micromètres.
  7. Pièce de micromécanique horlogère (1) selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle la pièce de micromécanique horlogère (1) appartient au groupe comprenant un sautoir, une ancre, une aiguille et une roue.
  8. Procédé de fabrication par gravure ionique réactive d'une pièce de micromécanique horlogère (1) selon l'une des revendication 1 à 6, comprenant :
    - la mise à disposition d'un substrat (2) à base de silicium ;
    - la formation d'un premier masque (31) sur une surface supérieure du substrat (2), le premier masque (31) comprenant des premiers ajourages (310) pour exposer à la gravure les emplacements de la surface supérieure du substrat (2) correspondant à la au moins une portion chanfreinée (121) ;
    - la formation d'un deuxième masque (32) sur la surface supérieure du substrat (2), le deuxième masque (32) comprenant des deuxièmes ajourages (320) pour exposer à la gravure les emplacements de la surface supérieure du substrat (2) correspondant à l'ensemble du contour de la pièce de micromécanique horlogère (1) ;
    - une première étape de gravure du substrat (2) à travers les premiers ajourages (310) pour graver le chanfrein de la au moins une portion chanfreinée (121) ;
    - le retrait du premier masque (31) ;
    - une deuxième étape de gravure du substrat (2) à travers les deuxièmes ajourages (320) pour former les parois latérales (12) ;
    - le retrait du deuxième masque (32) ;
    - le détachement de la pièce de micromécanique (1) du substrat (2).
  9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la formation du deuxième masque (32) est réalisée après la première étape de gravure et le retrait du premier masque (31).
  10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le premier masque (31) et le deuxième masque (32) sont formés en dioxyde de silicium.
  11. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la formation du deuxième masque (32) est réalisée avant la formation du premier masque (31) et avant les première et deuxième étapes de gravure.
  12. Procédé selon l'une des revendications 9 ou 11, dans lequel le premier masque (31) est formé en résine photosensible et le deuxième masque (32) est formé en dioxyde de silicium.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5501893A (en) 1992-12-05 1996-03-26 Robert Bosch Gmbh Method of anisotropically etching silicon
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