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Title:
METHOD FOR MANUFACTURING A SILICON MICROMECHANICAL PART
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/076742
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method (10) for manufacturing a silicon micromechanical part (11) comprising the following steps: - machining (50) a silicon wafer (12) so as to create a micromechanical structure (13), said structure (13) comprising at least one contact face (14) intended to withstand forces and at least one positioning face (15) intended to position said structure (13); - depositing (51) a silicon nitride layer (16) on all the faces of said structure (13); - etching (52) said silicon nitride layer (16) on at least one positioning face (15); and - oxidising (53) said at least one positioning face (15) on the parts devoid of silicon nitride.

Inventors:
RIBETTO, Luca (47 Boulevard de Campaloud, VOIRON, 38500, FR)
PETIT, Matthieu (49 Rue Frédéric Chopin, CROLLES, 38920, FR)
COLLET, Joël (51 Impasse du Luquet, SAINT MARTIN D'URIAGE, 38410, FR)
Application Number:
EP2018/077842
Publication Date:
April 25, 2019
Filing Date:
October 12, 2018
Export Citation:
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Assignee:
TRONIC'S MICROSYSTEMS (98 Rue du Pré de l'Horme, CROLLES, 38920, FR)
International Classes:
B81C1/00; G04B13/00; G04D3/00
Domestic Patent References:
WO2007000271A12007-01-04
Foreign References:
EP2784600A22014-10-01
CH711247A22016-12-30
EP2808297A12014-12-03
Other References:
LIWEI LIN ET AL: "Surface micromachined diaphragm pressure sensors with optimized piezoresistive sensing resistors", MICROELECTRONICS AND VLSI, 1995. TENCON '95., IEEE REGION 10 INTERNATI ONAL CONFERENCE ON HONG KONG 6-10 NOV. 1, NEW YORK, NY, USA,IEEE, US, 6 November 1995 (1995-11-06), pages 24 - 27, XP010160110, ISBN: 978-0-7803-2624-8, DOI: 10.1109/TENCON.1995.496326
Attorney, Agent or Firm:
PALIX, Stéphane et al. (CABINET LAURENT & CHARRAS, "Le Contemporain"50 Chemin de la Bruyère, DARDILLY, 69574, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication (10) d'une pièce micromécanique (11) en silicium comportant les étapes suivantes :

- usinage (50) d'une plaque de silicium (12) de sorte à créer une structure micromécanique (13), ladite structure (13) comportant au moins une face de contact (14) destinée à supporter des efforts et au moins une face de positionnement (15) destinée à positionner ladite structure (13) ; et

- dépôt (51) d'une couche de nitrure de silicium (16) sur toutes les faces de ladite structure (13) ;

caractérisé en ce que ledit procédé comporte également les étapes suivantes :

- gravure (52) de ladite couche de nitrure de silicium (16) sur au moins une face de positionnement (15); et

- oxydation (53) de ladite au moins une face de positionnement (15) sur les parties dépourvues de nitrure de silicium.

2. Procédé de fabrication selon la revendication 1 , dans lequel ladite couche de nitrure de silicium (16) présente une épaisseur (el) comprise entre 50 et 500 nm. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite étape d'oxydation est réalisée jusqu'à créer un motif d'oxyde de silicium (17) dont l'épaisseur (e2) est comprise entre 70 et 500 nm.

4. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel ladite pièce (11) correspond à une roue dentée ou à une roue d'échappement dans laquelle ladite face de contact (14) correspond à une denture et deux faces de positionnement (15) correspondent aux faces supérieures et inférieures.

5. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel ladite pièce (11) correspond à une ancre dans laquelle lesdites faces de contact (14) correspondent à deux branches et à un pivot et deux faces de positionnement (15) correspondent aux faces supérieures et inférieures.

6. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel ladite étape d'oxydation (53) est réalisée jusqu'à créer un motif (17) formant un réseau optique.

7. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel ledit procédé comporte également l'étape suivante :

- oxydation d'une seconde face de positionnement (15) sur les parties dépourvues de nitrure de silicium et d'oxydation.

8. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel ladite étape de dépôt (51) d'une couche de nitrure de silicium (16) est réalisée par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur à pression sous-atmosphérique.

9. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel ladite étape de gravure (52) de ladite couche de nitrure de silicium (16) est réalisée par un procédé de gravure sèche à torche à plasma.

Description:
PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PIECE

MICROMECANIQUE EN SILICIUM DOMAINE TECHNIQUE

L'invention concerne le domaine technique de la fabrication de pièces micromécaniques en silicium, c'est-à-dire des pièces dont les interactions au sein d'un assemblage permettent de produire, transmettre et/ou transformer un mouvement, et dont l'une des dimensions, telle que la hauteur ou l'épaisseur, est submillimétrique.

L'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour un mécanisme d'horlogerie, notamment pour les pièces d'échappement. ART ANTÉRIEUR

Les pièces d'horlogerie sont classiquement usinées en métal. Le développement des techniques de gravure ionique réactive profonde (également appelées « Deep Reactive Ion Etching » ou DRIE dans la littérature anglo-saxonne) a permis de réaliser avec précision des pièces d'horlogerie en silicium, telles que les spiraux, les engrenages, les roues d'échappements ou les ancres.

La réalisation d'une pièce en silicium avec les techniques de gravure ionique réactive profonde permet d'atteindre des précisions d'usinage de l'ordre du micron au dixième de micron.

Cependant, la structure cristallographique du silicium peut présenter des faiblesses plus importantes que les pièces usinées en métal. Pour répondre aux contraintes de frictions subies par des engrenages en silicium, il est connu de la demande de brevet internationale N° WO 2007/00271 de renforcer les pièces en silicium par le dépôt d'une couche d'oxyde de silicium ou de nitrure de silicium tout autour de la pièce. Cependant, la couche de renfort augmente la taille de la pièce en silicium. Outre le renforcement, les pièces de silicium peuvent nécessiter une décoration, par exemple une coloration spécifique pour s'intégrer dans l'esthétique d'un mécanisme d'horlogerie. Cette décoration est classiquement réalisée lors du dépôt de la couche de renfort en augmentant l'épaisseur de la couche de renfort.

Le problème technique de l'invention consiste donc à améliorer les techniques d'usinage existantes des pièces micromécaniques en silicium pour réaliser une décoration sur une pièce micromécanique sans augmenter la taille de la pièce micromécanique. INVENTION

La présente invention propose de répondre à ce problème technique en distinguant plusieurs faces de la pièce micromécanique et en déposant une couche de renfort sur la ou les faces de la pièce destinées à subir les frictions alors que la ou les faces destinées à recevoir une décoration font l'objet d'un traitement spécifique après gravure de la couche de renfort.

A cet effet, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce micromécanique en silicium comportant les étapes suivantes :

- usinage d'une plaque de silicium de sorte à créer une structure micromécanique, ladite structure comportant au moins une face de contact destinée à supporter des efforts et au moins une face de positionnement destinée à positionner ladite structure ; et

- dépôt d'une couche de nitrure de silicium sur toutes les faces de ladite structure. L'invention se caractérise en ce que ledit procédé comporte également les étapes suivantes :

- gravure de ladite couche de nitrure de silicium sur au moins une face de positionnement; et

- oxydation de ladite au moins une face de positionnement sur les parties dépourvues de nitrure de silicium. L'invention permet ainsi d'utiliser le nitrure de silicium pour améliorer la solidité de la pièce micromécanique alors que l'oxydation permet de créer une couche d'oxyde de silicium de sorte à améliorer l'état de surface et/ou de créer des motifs sur la ou les faces de la pièces qui ne sont pas sollicités.

La couche de nitrure étant utilisée uniquement sur la face de contact, l'épaisseur de la couche de nitrure peut être calibrée uniquement pour répondre aux contraintes de frictions sans augmenter le volume de la pièce au niveau de la ou des faces de positionnement.

Selon un mode de réalisation, ladite couche de nitrure de silicium présente une épaisseur comprise entre 50 et 500 nm. Ce mode de réalisation permet de répondre efficacement aux contraintes de frictions subies par les engrenages et les pièces d'échappement d'un mécanisme d'horlogerie.

Selon un mode de réalisation, ladite étape d'oxydation est réalisée jusqu'à créer un motif d'oxyde de silicium dont l'épaisseur est comprise entre 70 et 500 nm. Ce mode de réalisation permet de créer un motif distinctif en limitant l'impact du motif sur le poids de la pièce.

Selon un mode de réalisation, ladite pièce correspond à une roue dentée ou à une roue d'échappement dans laquelle ladite face de contact correspond à une denture et deux faces de positionnement correspondent aux faces supérieures et inférieures. Selon un mode de réalisation, ladite pièce correspond à une ancre dans laquelle lesdites faces de contact correspondent à deux branches et à un pivot et deux faces de positionnement correspondent aux faces supérieures et inférieures.

Selon un mode de réalisation, ladite étape d'oxydation est réalisée jusqu'à créer un motif formant un réseau optique. Ce mode de réalisation permet de former un dispositif anti-contrefaçon permettant d'identifier une pièce micromécanique spécifique par analyse du réseau optique. Selon un mode de réalisation, ledit procédé comporte également l'étape suivante : - oxydation d'une seconde face de positionnement dépourvue de nitrure de silicium et d'oxydation. Ce mode de réalisation permet de réaliser des décorations différentes sur deux faces différentes d'une pièce micromécanique. Par exemple, la face supérieure peut comporter des motifs de décoration destinés à intégrer la pièce micromécanique dans l'esthétique d'un mécanisme d'horlogerie alors que la face inférieure comporte un dispositif anti contrefaçon.

Selon un mode de réalisation, ladite étape de dépôt d'une couche de nitrure de silicium est réalisée par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur à pression sous- atmosphérique. Ce mode de réalisation permet d'associer efficacement le nitrure de silicium avec la structure de silicium. Le procédé de dépôt chimique en phase vapeur à pression sous-atmosphérique est également connu sous l'acronyme LPCVD pour « Low Pressure Chemical Vapor Déposition » dans la littérature anglo-saxonne.

Selon un mode de réalisation, ladite étape de gravure de ladite couche de nitrure de silicium est réalisée par un procédé de gravure sèche à torche à plasma. Ce mode de réalisation permet de retirer efficacement et précisément le nitrure de silicium. Le procédé de gravure sèche à torche à plasma est également connu sous l'acronyme ICP-RIE pour « Inductively Coupled Plasma - Reactive-Ion Etching » dans la littérature anglo-saxonne.

DESCRIPTION SOMMAIRE DE LA FIGURE

La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien du mode de réalisation qui suit, donné à titre indicatif mais non limitatif, à l'appui duquel l'unique figure 1 illustre les étapes du procédé de l'invention ainsi que les traitements subis par une pièce micromécanique lors de ces étapes.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION

La figure 1 illustre un procédé de fabrication 10 d'une pièce micromécanique 11 en silicium, c'est-à-dire une pièce dont l'âme est en silicium. La première étape 50 consiste à usiner une plaque de silicium 12 pour former l'âme de la pièce micromécanique 11. Dans l'exemple de la figure 1, la plaque 12 est usinée de sorte à former un engrenage dont les dimensions sont de l'ordre du millimètre. En variante, d'autres pièces micromécaniques en silicium peuvent être réalisées sans changer l'invention.

Cette première étape 50 permet d'obtenir une structure micromécanique 13 comportant plusieurs faces 14-15. Une face de contact 14 de la structure 13 est destinée à supporter les efforts, par exemple les chocs, les frictions... Dans le cas d'un engrenage, les efforts subis par la face de contact 14 correspondent aux frictions subies par les dentures. Dans le cas d'une ancre d'un mécanisme d'horlogerie, les efforts subis par la face de contact 14 correspondent aux chocs de l'ancre avec la roue d'échappement. Outre cette face de contact 14, la structure 13 comporte également une face de positionnement 15 qui n'est pas sollicitée pour répondre aux efforts subis par la structure 13 mais qui est classiquement utilisée lors du montage de la pièce micromécanique 11 pour positionner la pièce 11 dans un mécanisme.

Ces deux faces 14-15 n'étant pas destinées à répondre aux mêmes contraintes mécaniques, l'invention propose de traiter ces faces 14-15 distinctement. Plus précisément, l'invention propose de recouvrir la face de contact 14 d'une couche de renfort en nitrure de silicium 16 alors qu'au moins une face de positionnement 15 est recouverte d'une couche d'oxyde de silicium 17. Pour ce faire, dans une seconde étape 51, la structure micromécanique 13 subit un premier traitement permettant de recouvrir l'ensemble de la structure micromécanique 13 d'une couche de nitrure de silicium 16. Par exemple, la couche de nitrure de silicium 16 peut être déposée par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur à pression sous- atmosphérique. Suite à cette étape de dépôt, l'ensemble de la structure micromécanique 13 est recouverte d'une couche de nitrure de silicium 16 avec une épaisseur el sensiblement équivalente entre toutes les faces 14-15. De préférence, l'épaisseur el est comprise entre 50 et 500 nm. Pour recouvrir une face de positionnement 15 d'une couche d'oxyde de silicium 17, cette couche de nitrure de silicium 16 doit être supprimée au niveau d'au moins une face de positionnement 15. Dans une troisième étape 52, une gravure de la couche de nitrure de silicium 16 est réalisée au niveau d'au moins une face de positionnement 15 pour laquelle la formation de la couche d'oxyde de silicium 17 est recherchée. Ainsi, la couche de nitrure de silicium 16 d'une face de positionnement 15, ou de deux faces de positionnement 15, peut être gravée dans cette troisième étape 52.

Dans l'exemple de la figure 1, la couche de nitrure de silicium 16 des deux faces de positionnement 15 est gravée de sorte à ce que les deux faces de positionnement de la structure 13 soient exemptes de la couche de nitrure de silicium 16. Pour s'assurer du retrait de la couche de nitrure de silicium 16, la gravure peut être effectuée par un procédé de gravure sèche à torche à plasma avec un temps d'exposition supérieur au temps théorique pour supprimer toute l'épaisseur el de la couche de nitrure de silicium 16. Il s'ensuit qu'une partie de la couche de nitrure de silicium 16 présente sur la face de contact 14 peut être supprimée dans une zone 18 proche des faces de positionnement 15 sans changer l'invention car la plus grande partie de la face de contact 14 est toujours protégée par la couche de nitrure de silicium 16. Lorsque la couche de nitrure de silicium 16 est supprimée au niveau d'au moins une face de positionnement 15, il est possible d'oxyder la structure 13 de sorte à former une couche d'oxyde de silicium 17 sur les parties de la structure 13 qui ne sont pas protégées par la couche de nitrure de silicium 16. Une quatrième étape 53 consiste donc à réaliser cette oxydation de sorte à obtenir la croissance d'une couche d'oxyde de silicium 17 avec une épaisseur e2 qui peut être différente de l'épaisseur el de la couche de nitrure de silicium 16. De préférence, l'oxydation est réalisée jusqu'à créer un motif d'oxyde de silicium 17 dont l'épaisseur e2 est comprise entre 70 et 500 nm.

L'épaisseur e2 de la couche d'oxyde de silicium 17 peut être déterminée pour modifier la couleur de la pièce 11 au niveau d'au moins une face de positionnement 15. En variante, l'oxydation peut être structurée pour former un réseau optique ou pour écrire des informations sur la pièce 11 en utilisant la couche d'oxyde de silicium 17. En variante, il est possible de graver uniquement une face de positionnement 15 et d'oxyder cette face de positionnement 15 pour former une couche d'oxyde de silicium 17.

En variante, il est également possible de graver une première face de positionnement 15 et d'oxyder cette première face de positionnement 15 pour former une première couche d'oxyde de silicium 17 et de recommencer ces opérations pour graver une autre face de positionnement 15. Ainsi, il est possible d'obtenir une oxydation distincte entre plusieurs faces de positionnement 15. L'invention permet d'obtenir une pièce micromécanique 11 avec des faces 14-15 traitées différemment afin de s'adapter plus efficacement aux contraintes de réalisation, telles que la couleur ou le marquage d'une pièce, sans modifier la résistance et sans impacter négativement le poids de la pièce 11.




 
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