La présente invention concerne un procédé de fabrication d’un spiral, c’est- à-dire d’un ressort comprenant une lame élastique en spirale. Dans une application typique, le spiral est destiné à équiper un balancier pour former avec lui le résonateur d’un mouvement horloger. Un tel spiral horloger est généralement fixé par son extrémité intérieure, par l’intermédiaire d’une virole, à un axe de balancier et par son extrémité extérieure, par l’intermédiaire d’un piton ou autre organe de fixation, à un pont du mouvement appelé « coq ».

La demande de brevet EP 3181938 de la présente demanderesse décrit un procédé de fabrication d’un spiral d’une raideur prédéterminée selon lequel a) on forme un spiral dans des dimensions supérieures aux dimensions nécessaires pour obtenir le spiral d’une raideur prédéterminée, b) on détermine la raideur du spiral ainsi formé, c) on calcule l’épaisseur de matériau à retirer pour obtenir le spiral d’une raideur prédéterminée et d) on retire du spiral formé lors de l’étape a) l’épaisseur de matériau calculée. Un tel procédé permet d’augmenter la précision dimensionnelle et de diminuer les dispersions de fabrication entre spiraux formés à partir d’une même plaquette ou de plaquettes différentes. La qualité dimensionnelle peut encore être améliorée en répétant les étapes b), c) et d). L’étape a) est par exemple réalisée par gravure d’une plaquette de silicium. L’étape d) peut alors consister à oxyder le spiral en silicium, par exemple par oxydation thermique, afin de transformer l’épaisseur de matériau à retirer en oxyde de silicium, puis à retirer l’oxyde de silicium. Après l’étape d), une opération dite de compensation thermique peut être mise en oeuvre pour rendre la raideur du spiral, plus précisément la fréquence du résonateur dont le spiral est destiné à faire partie, insensible aux variations thermiques. Dans le cas d’un spiral en silicium, on peut ainsi revêtir ce dernier d’une couche d’oxyde de silicium, par exemple par oxydation thermique, selon l’enseignement du brevet EP 1422436. Cette couche d’oxyde de silicium sert aussi à augmenter la résistance mécanique du spiral en silicium.

Une autre demande de brevet de la demanderesse, EP 3181939, décrit un procédé de fabrication d’un spiral d’une raideur prédéterminée selon lequel a) on forme un spiral dans des dimensions inférieures aux dimensions nécessaires pour obtenir le spiral d’une raideur prédéterminée, b) on détermine la raideur du spiral ainsi formé, c) on calcule l’épaisseur de matériau manquante pour obtenir le spiral d’une raideur prédéterminée et d) on modifie le spiral formé lors de l’étape a) pour compenser l’épaisseur de matériau manquante, les étapes b), c) et d) pouvant être répétées. Ce procédé aussi permet d’augmenter la précision dimensionnelle et de diminuer les dispersions de fabrication entre spiraux formés à partir d’une même plaquette ou de plaquettes différentes. L’étape a) est par exemple réalisée par gravure d’une plaquette de silicium. Après l’étape d), une opération de compensation thermique peut être mise en œuvre pour rendre la raideur du spiral, plus précisément la fréquence du résonateur dont le spiral est destiné à faire partie, insensible aux variations thermiques. Dans le cas d’un spiral en silicium, on peut ainsi revêtir ce dernier d’une couche d’oxyde de silicium selon l’enseignement du brevet EP 1422436. Cette couche d’oxyde de silicium sert aussi à augmenter la résistance mécanique du spiral en silicium.

Selon une mise en œuvre typique des procédés ci-dessus, plusieurs spiraux sont formés simultanément dans une même plaquette de silicium à l’étape a). Ces spiraux restent attachés à la plaquette par des ponts de matière pendant les étapes b), c) et d) ainsi que pendant l’opération de compensation thermique, et ensuite sont détachés de la plaquette. Ces ponts de matière relient radialement la spire extérieure des spiraux à la plaquette, comme illustré à la figure 7 de la demande de brevet EP 3181938 et à la figure 6 de la demande de brevet EP 3181939. Les autres spires et la virole des spiraux ne peuvent pas être attachées à la plaquette. On comprend aisément que ce mode d’attache des spiraux à la plaquette ne permet pas de maintenir les spiraux sans déformation pendant leur fabrication, en particulier durant les opérations d’oxydation thermique pour un spiral en silicium. Lorsque la plaquette est en position horizontale, les spiraux ne restent pas plans mais prennent la forme d’une cuvette. En position verticale, la position relative des spires est modifiée, certaines spires se rapprochant les unes des autres d’un côté et s’éloignant les unes des autres de l’autre côté. A température ambiante, ces déformations n’ont pas de conséquence car elles restent élastiques. En revanche, pendant les traitements thermiques où les spiraux sont placés dans un four dont les températures peuvent être supérieures à 1000°C, ces déformations deviennent permanentes et sont même accentuées par la diminution de la rigidité du silicium. Les spiraux qui en résultent peuvent ainsi présenter entre leur extrémité intérieure et leur extrémité extérieure une différence de hauteur supérieure à la hauteur de chaque spire. Cela augmente l’encombrement des spiraux, lesquels, une fois montés dans des mouvements, peuvent entrer en contact avec d’autres composants en fonctionnement normal ou lors de chocs, ce qui peut occasionner des dommages. Ces déformations permanentes des spiraux peuvent aussi amener des spires à se toucher pendant le fonctionnement normal du mouvement ou lors de chocs et à adhérer les unes aux autres, ou à adhérer à des parties du mouvement telles que le coq. L’accès à d’autres composants du mouvement, comme la raquetterie pour le réglage de la marche, peut être empêché. De plus, ces déformations permanentes sont susceptibles d’affecter l’isochronisme.

L’ampleur de ces déformations permanentes varie selon le poids et la raideur des spires, le temps passé au four et la température du four. Il est possible de la réduire en jouant sur l’un ou l’autre de ces deux derniers paramètres mais au détriment de la productivité.

On connaît aussi par le brevet EP 0732635 de la demanderesse un procédé de fabrication d’une pièce de micromécanique selon lequel on creuse des cavités dans un substrat en laissant des parties qui constitueront ensuite des ponts de matière, on soude une plaque de matériau cristallin sur le substrat puis on grave la pièce de micromécanique dans la plaque de matériau cristallin, cette pièce ainsi que d’autres pièces d’un même lot étant alors maintenues sur le substrat par les ponts de matière. Ce procédé se poursuit par un ou des traitements complémentaires effectués sur les pièces et se termine par la rupture des ponts de matière pour détacher les pièces du substrat. Avec un tel procédé, les échanges thermiques entre la plaque de matériau cristallin et le substrat pendant la gravure sont insuffisants pour garantir une bonne homogénéité de la gravure. De plus, une opération de soudure est nécessaire.

La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités, ou au moins à les atténuer, et propose à cette fin un procédé selon la revendication 1 , des modes de réalisation particuliers étant définis dans les revendications dépendantes.

D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée suivante faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- les figures 1 à 8 sont des vues en coupe transversale montrant des étapes successives d’un procédé de fabrication d’un ou plusieurs spiraux selon l’invention ;

- la figure 9 est une vue de dessus d’un spiral montrant schématiquement la localisation de ses points d’attache à un support pendant sa fabrication.

Une première étape d’un procédé selon un mode de réalisation préféré de l’invention, représentée à la figure 1 , consiste à se munir d’un substrat en silicium 1 s’étendant dans un plan P et portant sur sa face supérieure parallèle au plan P une couche d’oxyde de silicium (S1O2) 2. L’épaisseur (hauteur) du substrat 1 peut correspondre à celle du ou des spiraux à fabriquer, soit typiquement 120 pm, ou être plus faible que celle du ou des spiraux à fabriquer selon que ces derniers sont réalisés dans le substrat 1 ou dans une autre couche comme il sera décrit plus loin. Dans le deuxième cas, le substrat 1 est toutefois suffisamment épais, typiquement de quelques dizaines de micromètres, pour prévenir sa déformation. L’épaisseur de la couche d’oxyde de silicium 2 est par exemple de 3 pm. Le silicium du substrat 1 peut être monocristallin, quelle que soit son orientation cristalline, polycristallin ou amorphe.

La couche d’oxyde de silicium 2 est ensuite structurée, par exemple par photolithographie, pour y former des trous traversants 3 comme montré à la figure 2, un seul de ces trous traversants 3 étant visible sur la figure 2. Concrètement, la couche 2 est gravée à travers un masque, la gravure pouvant être humide ou sèche mais étant de préférence sèche, à plasma, pour une meilleure précision. Le diamètre des trous 3 ainsi réalisés est de préférence inférieur à la largeur de la lame des spiraux à fabriquer. Typiquement, les trous 3 ont un diamètre d’environ 5 pm et la largeur de la lame des spiraux à fabriquer est d’environ 30 pm.

A une étape suivante (figure 3), on fait croître sur la couche d’oxyde de silicium 2, par exemple par épitaxie, du silicium monocristallin, polycristallin ou amorphe pour former une couche de silicium 4. Durant cette étape, les trous 3 de la couche d’oxyde de silicium 2 sont remplis par le silicium de la couche 4. L’épaisseur de la couche de silicium 4 correspond à celle du ou des spiraux à fabriquer, soit typiquement 120 pm, ou peut être inférieure à celle du ou des spiraux à fabriquer selon que ces derniers sont réalisés dans cette couche 4 ou dans le substrat 1. Dans le deuxième cas, la couche 4 est toutefois suffisamment épaisse, typiquement de quelques dizaines de micromètres, pour prévenir sa déformation. En particulier dans le premier cas, et selon l’état de la surface supérieure de la couche 4, on peut prévoir un polissage de cette surface supérieure, tel qu’un polissage mécano-chimique CMP (Chemical Mechanical Polishing), visant à supprimer les défauts de croissance liés à la structuration de la couche d’oxyde de silicium 2 et/ou à ajuster l’épaisseur de la couche de silicium 4. Ensuite (cf. figure 4), soit la couche de silicium 4 soit le substrat en silicium 1 est structuré par gravure ionique réactive profonde (DRIE) afin de former un ou des spiraux 5. Dans la présente description, celui parmi la couche 4 et le substrat 1 qui est structuré est appelé « couche de gravure » et désigné par le repère 6a, et l’autre parmi la couche 4 et le substrat 1 est appelé « support » et désigné par le repère 6b. La figure 4 représente la variante dans laquelle les spiraux 5 sont gravés dans la couche 4 et le substrat 1 constitue le support 6b. A la figure 4, seule la section transversale d’une spire d’un de ces spiraux 5 est illustrée. Chaque spiral 5 peut être formé simultanément et d’un seul tenant avec sa virole pour son montage ultérieur sur un axe de balancier.

Pendant cette étape de DRIE, un masque est utilisé pour la gravure et la température à cœur du plasma est de l’ordre de 180°C. Le support 6b est refroidi à environ 20°C, par exemple au moyen d’hélium balayant la face du support 6b la plus éloignée de la couche de gravure 6a et/ou au moyen d’une circulation de liquide de refroidissement thermostaté refroidissant le mandrin qui supporte le support 6b. Ce refroidissement du support 6b refroidit le masque à travers la couche d’oxyde de silicium 2 et la couche de gravure 6a, évitant de la sorte que le masque brûle et que la qualité de la gravure soit affectée. Un tel refroidissement du masque est permis notamment par les échanges thermiques entre le support 6b et la couche de gravure 6a. Le contact continu entre le support 6b et la couche de gravure 6a, par l’intermédiaire de la couche d’oxyde de silicium 2, améliore ces échanges thermiques par rapport au procédé selon le brevet EP 0732635. Dans ce dernier, en effet, dans les zones de gravure le substrat et la plaque de matériau cristallin ne sont reliés que par des ponts de matière pendant la gravure en raison des cavités préalablement creusées dans le substrat. Ceci nuit aux échanges thermiques et à l’homogénéité de la gravure pendant la fabrication.

Dans la présente invention, les spiraux 5 formés dans la couche de gravure 6a sont reliés au support 6b perpendiculairement au plan P par la couche d’oxyde de silicium 2 et par le silicium remplissant les trous 3. Ce silicium remplissant les trous 3 constitue des ponts de matière 7 qui sont monolithiques avec les spiraux 5 et le support 6b. Ces ponts de matière 7, qui ont la forme et les dimensions des trous 3, sont typiquement cylindriques à section circulaire mais ils peuvent avoir une autre forme telle que celle d’un cylindre à section polygonale ou à section oblongue. Ils sont situés sur le dessous ou le dessus des spiraux 5. De préférence, en projection dans le plan P, chaque pont de matière 7 est entièrement situé entre les deux flancs 5a, 5b de la lame d’un spiral 5, occupe seulement une partie de la largeur L de cette lame, par exemple moins de 50% voire moins de 30% voire encore moins de 20% de cette largeur L, et est centré par rapport aux deux flancs 5a, 5b pour être au droit de la fibre neutre de la lame.

De préférence, également, ces ponts de matière 7 sont répartis sur toute la longueur de chaque spiral 5, comme montré schématiquement à la figure 9.

A une étape suivante du procédé selon l’invention, on élimine la couche d’oxyde de silicium 2 (figure 5), par exemple par attaque chimique. Les spiraux 5 ne sont alors reliés au support 6b que par les ponts de matière 7.

Puis on met en oeuvre le procédé décrit dans la demande de brevet EP 3181938 afin de donner aux spiraux 5 une raideur prédéterminée. Plus précisément, on détache quelques spiraux 5 du support 6b, on les couple à des balanciers d’inertie prédéterminée, on mesure les fréquences d’oscillation, on en calcule la moyenne, on en déduit une valeur de raideur pour les spiraux 5, on calcule une épaisseur de matériau à retirer des spiraux 5 pour obtenir la raideur prédéterminée et on retire cette épaisseur de matériau des spiraux 5 attachés au support 6b, ces étapes pouvant être répétées afin d’affiner la précision dimensionnelle des spiraux 5. Pour retirer l’épaisseur de matériau calculée, on oxyde puis on désoxyde les spiraux 5. Pour ce faire, on place l’ensemble support 6b - spiraux 5 dans un four pour le soumettre à une température comprise entre 800 et 1200°C et à une atmosphère oxydante jusqu’à obtenir une épaisseur prédéterminée d’oxyde de silicium (S1O2) sur ses surfaces. Cette couche d’oxyde de silicium se forme en consommant du silicium sur une profondeur correspondant environ à la moitié de son épaisseur. Après ce traitement thermique, on élimine la couche d’oxyde de silicium, par exemple par attaque chimique, afin d’obtenir des spiraux 5 ayant des dimensions réduites correspondant à la raideur prédéterminée (figure 6). Cette oxydation/désoxydation des spiraux 5 permet aussi de réduire fortement les ondulations que crée la gravure ionique réactive profonde sur les flancs des spiraux 5, comme expliqué dans la demande de brevet EP 3181938.

Une étape suivante du procédé selon l’invention, représentée à la figure 7, peut consister à revêtir les spiraux 5 d’une couche de compensation thermique 8 faite en un matériau présentant un premier coefficient thermique du module d’élasticité de signe opposé à celui du silicium, selon l’enseignement du brevet EP 1422436. Cette couche de compensation thermique 8 est typiquement en oxyde de silicium (Si02). Elle peut être formée par oxydation thermique, comme décrit ci-dessus, en plaçant l’ensemble support 6b - spiraux 5 dans un four pour le soumettre à une température comprise entre 800 et 1200°C et à une atmosphère oxydante jusqu’à obtenir une épaisseur prédéterminée d’oxyde de silicium sur ses surfaces. Etant donné que l’oxyde de silicium, en se formant, consomme du silicium sur une profondeur correspondant à environ la moitié de son épaisseur, la distance d entre les spiraux 5 et le support 6b à la figure 6 doit être supérieure à l’épaisseur de la couche de compensation thermique 8 afin d’éviter qu’ils se touchent. Ainsi, par exemple, cette distance d est supérieure à 3 pm, voire à 4 pm, voire à 5 ou 6 pm, pour une épaisseur de la couche de compensation thermique 8 de 3 pm. La couche de compensation thermique 8, en particulier lorsqu’elle est en oxyde de silicium, a aussi pour fonction d’augmenter la résistance mécanique des spiraux 5.

Le nombre des ponts de matière 7 par spiral est choisi suffisamment grand pour empêcher les spires de s’affaisser et d’entrer en contact avec le support 6b pendant les passages dans le four. Ce nombre dépend notamment de la raideur des spiraux 5. Il peut être réduit en disposant l’ensemble support 6b - spiraux 5 de telle sorte que le support 6b soit au-dessus des spiraux 5 pendant les phases d’oxydation.

En plus des ponts de matière 7 répartis le long de chaque spiral 5, des ponts de matière peuvent être prévus sur la virole et/ou sur une extrémité extérieure rigide du spiral destinée à être fixée à un pont de bâti. On peut aussi conserver des ponts de matière reliant latéralement les spiraux 5 entre eux de sorte à former une dentelle.

Ces ponts de matière ou attaches 7 reliant les spiraux 5 au support 6b permettent d’éviter ou d’au moins diminuer les déformations permanentes (plastiques) des spiraux 5 pendant les phases d’oxydation thermique. En effet, le silicium est un matériau fragile à température ambiante - il ne peut se déformer qu’élastiquement - mais il semble présenter un comportement ductile à partir de températures de l’ordre de 800°C à 1000°C. Des déformations initialement élastiques et réversibles des spiraux 5 lors de leur placement dans le four peuvent devenir permanentes pendant le traitement thermique. Le support 6b et les ponts de matière 7 limitent les déformations des spiraux 5, lesquels pourront donc avoir une forme proche de leur forme théorique à l’issue de leur fabrication.

A une dernière étape du procédé selon l’invention, représentée à la figure 8, on libère les spiraux 5 du support 6b en cassant les ponts de matière 7 au moyen d’un outil. Dans une variante, on peut libérer les spiraux 5 en éliminant les ponts de matière 7 par une opération de gravure avec masque mise en oeuvre depuis la face du support 6b la plus éloignée des spiraux 5.

Quel que soit le moyen utilisé pour libérer les spiraux 5, les zones des spiraux 5 où se trouvent les ponts de matière 7 ne seront pas recouvertes par la couche de compensation thermique 8. Toutefois, du fait que ces zones sont situées au droit de la fibre neutre des spiraux 5, elles seront peu sollicitées en flexion pendant le fonctionnement des spiraux 5. Elles peuvent donc avoir une moindre résistance mécanique. Quant à la compensation thermique, son utilité est grande sur les flancs des spiraux 5 mais moindre sur le dessus et le dessous. L’absence de couche de compensation thermique au niveau des zones des ponts de matière 7 affectera donc peu le comportement des spiraux 5 vis-à-vis des variations de température.

Si l’on souhaite néanmoins éviter que des zones des spiraux 5 soient sans couche de compensation thermique après la rupture ou l’élimination des ponts de matière 7, on peut diminuer le diamètre des trous 3 et donc des ponts de matière 7 afin que ces derniers ne soient plus constitués que d’oxyde de silicium après la formation de la couche de compensation thermique 8.

Dans une variante de l’invention, les ponts de matière 7 de chaque spiral 5 sont remplacés par un seul pont de matière formant, en projection dans le plan P, une spirale continue qui suit la forme spiralée de la lame du spiral 5. De préférence, toujours en projection dans le plan P, ce pont de matière est situé entièrement entre les deux flancs 5a, 5b de la lame, occupe seulement une partie de la largeur L de cette lame, par exemple moins de 50% voire moins de 30% voire encore moins de 20% de cette largeur L, et est centrée par rapport aux deux flancs 5a, 5b de la lame.

La présente invention n’est pas limitée aux matériaux, silicium et oxyde de silicium, mentionnés ci-dessus. Il va de soi qu’elle pourrait s’appliquer à d’autres matériaux, notamment, pour ce qui concerne la couche de gravure 6a, à tout matériau pouvant être structuré par gravure. La présente invention est particulièrement avantageuse pour les matériaux, tels que le silicium, les verres ou les céramiques, qui sont fragiles à température ambiante et ductiles ou potentiellement ductiles à température élevée.