EP3764169A1 - Procede pour depolir par endroits un composant horloger en silicium - Google Patents

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EP3764169A1
EP3764169A1 EP19185364.7A EP19185364A EP3764169A1 EP 3764169 A1 EP3764169 A1 EP 3764169A1 EP 19185364 A EP19185364 A EP 19185364A EP 3764169 A1 EP3764169 A1 EP 3764169A1
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EP
European Patent Office
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etching
silicon
sacrificial layer
silicon surface
layer
Prior art date
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EP19185364.7A
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EP3764169B1 (fr
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Rémy FOURNIER
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Patek Philippe SA Geneve
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Patek Philippe SA Geneve
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    • 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
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    • G04B19/04—Hands; Discs with a single mark or the like
    • G04B19/042—Construction and manufacture of the hands; arrangements for increasing reading accuracy
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    • G04B19/12—Selection of materials for dials or graduations markings
    • G—PHYSICS
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    • 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
    • G04D3/0074—Watchmakers' or watch-repairers' machines or tools for working materials for treatment of the material, e.g. surface treatment

Definitions

  • the present invention relates to a method for spot-etching a silicon surface. It relates more particularly to a process for spot-etching a silicon surface of a wafer in which a timepiece component is then micromachined or, alternatively, for spot-etching a silicon surface of the watch component itself or of the watch component itself. 'draft of it.
  • to roughen is used to mean attacking a surface so as to remove its "polish”.
  • a surface is thus qualified as “frosted” when it has sufficient roughness to diffuse or absorb the incident light.
  • a surface is said to be rough when it presents an irregular relief comprising hollows and peaks, these hollows, or craters, having a depth ranging from a hundred nanometers to one micrometer.
  • Crystalline silicon is opaque and reflects light. Its appearance is that of a dark gray metal. This color can give a somewhat austere appearance to parts made of silicon.
  • An aim of the present invention is to remedy the problems of the prior art which have just been explained.
  • the present invention achieves this and other object by providing a method for spot-etching a silicon surface, which is in accordance with claim 1 appended hereto.
  • step (a) of the method of the invention the locations of the silicon surface which will be etched by making an etching mask comprising apertures are first of all defined.
  • a sacrificial layer of resin is deposited on the etching mask and inside its openings.
  • the production of the sacrificial layer does not involve either exposure or annealing of the resin of the sacrificial layer.
  • One advantage of this feature is that it contributes to shortening and simplifying the implementation of step (b) of the method.
  • the layer of sacrificial resin is then attacked by deep reactive ionic etching (usually designated by its acronym "DRIE"), so as to transfer inhomogeneities of the sacrificial layer. on the places to be roughened of the silicon surface.
  • DRIE deep reactive ionic etching
  • Deep reactive ion etching is the most widely used etching technique for the micromachining of silicon-based components. This technique is already described in particular in the patent document WO 94/14187 on behalf of Robert Bosch GmbH. This document is incorporated by reference in the present description.
  • Deep reactive ion etching enables the etching of almost vertical flank profiles in a silicon-based substrate by applying a procedure that alternates the steps of depositing an inert passivation layer and plasma etching.
  • the stages of deposition of the passivation layer and those of etching all involve fluorinated compounds, so that they take place in the same chemical context.
  • Each step lasts a few seconds, the passivation layer is formed over the entire surface of the substrate, so that the latter is protected against any subsequent etching.
  • the deep reactive ionic etching which takes place in step (c) of the method of the invention, is distinguished from other common etching methods by its highly anisotropic, almost unidirectional character.
  • One advantage of using the deep reactive ionic etching technique is therefore that it allows the inhomogeneities of the sacrificial layer to be transferred to the substrate with high resolution and without attenuation. It is important to note that this advantage is not found with other current techniques which have a lower degree of anisotropy. Indeed, with these less anisotropic techniques, the considerable divergence that exists between the directions of etching only allows the transfer of a strongly attenuated roughness onto the silicon surface.
  • the various embodiments of the invention make it possible to roughen in places, in identical or different ways, the surface of a silicon wafer in which we will then micro- to machine a watch component or, alternatively, to roughen in places a surface, or more surfaces, of said watch component itself or of the blank thereof.
  • the wafer, the watch component, or its blank may or may not have been covered beforehand with a layer of SiO 2 .
  • the invention makes it possible to combine on the same plate, blank or component, two different effects, such as matt and gloss or polished and frosted, which offers new possibilities in the covering.
  • the surfaces frosted in places correspond to surfaces visible from the outside of the timepiece.
  • the frosted surfaces are also preferably located in non-functional areas of the watch components, so as not to interfere with the watch mechanisms and to maintain optimum mechanical properties.
  • FIG. 1 illustrates an object (referenced 2) which comprises at least one silicon surface 4 which it is desired to roughen in places using the method of the invention.
  • object denotes a silicon wafer. It will be understood, however, that in accordance with other variants (not illustrated), this term could alternatively designate a watch component based on silicon or the blank of such a component.
  • the figure 2 illustrates the object 2 following the production by photolithography of a perforated etching mask 6 on the silicon surface 4.
  • This mask 6 can be produced in any manner known to those skilled in the art. In particular by first depositing a layer of photosensitive resin on the surface 4, and then structuring this layer by photolithography before subjecting it to annealing.
  • the photosensitive resin layer is a layer of AZ® 9260, the thickness of which is approximately 7 microns. It will be understood, however, that the resin can naturally be of another type. In addition, its thickness is obviously not necessarily 7 microns. The thickness of the resin layer is typically, but not necessarily, between 5 and 15 microns.
  • the figure 3 illustrates object 2 following the deposition of a sacrificial layer 8 of resin on the etching mask 6 and on the parts of the surface 4 which are exposed through the openings of the mask 6.
  • the sacrificial layer of resin generally has a thickness less than or equal to 5 microns, typically less than or equal to 3 microns.
  • the sacrificial layer 8 is made with positive photosensitive resin of the AZ® 1518 type. This particular resin is suitable for making thin layers.
  • the resin can be applied with a spinner at 5000 rpm. This speed leads to the deposition of a thin layer, the thickness of which is approximately 1.8 microns.
  • the resin which forms the sacrificial layer 8 has been deposited, one passes to the subsequent etching step without having exposed or annealed the resin layer 8 beforehand.
  • the figure 4 illustrates the object 2 after the aforementioned etching step.
  • This etching step consists of attacking the layer of sacrificial resin 8 by Deep Reactive Ion Etching (DRIE).
  • DRIE Deep Reactive Ion Etching Table I below indicates the main parameters used in the present example to implement the DRIE etching.
  • the version of the DRIE process used in the present example is based on a cycle consisting of a step (designated by the acronym DEP) of forming a passivation layer, followed by two distinct steps (respectively designated by E1 and E2) plasma etching.
  • DEP step
  • E1 and E2 two distinct steps
  • a gas mixture formed of 4/5 of C 4 F 8 and 1/5 of O 2 is injected.
  • a first plasma produced from SF 6 is used for the first etching step E1.
  • the function of this first plasma is to disintegrate the part of the passivation layer which is at the bottom of the profiles.
  • the second etching step E2 uses a plasma formed from a mixture of SF 6 and C 4 F 8 .
  • the function of this second plasma is to hollow out the profiles by reactive etching of the bottom of the latter.
  • the DRIE etching step continues long enough to transfer inhomogeneities of the sacrificial layer 8 to the places to be roughened (or in other words rough) of the silicon surface 4. It is possible to It will therefore be understood that the etching continues at a minimum until through openings have been created through the sacrificial layer 8.
  • This first hinge moment can for example be identified by detecting the presence of silicon atoms, or of compounds. comprising silicon, in the reactor in which the DRIE etching is carried out. At the other extreme, the etching should not be continued after the sacrificial layer 8 has been completely consumed.
  • this second pivotal moment is concomitant with the disappearance of the chemical species characteristic of the sacrificial layer, which were present until then in the reactor.
  • a person skilled in the art After calibrating the process, a person skilled in the art will be able to determine, for example by timing, the moment when he wishes to stop the etching. The moment that a person skilled in the art will choose for stopping the etching will be situated in the interval between the aforementioned first and second pivotal moments.
  • the figure 5 illustrates the object 2 following a last step consisting in removing the etching mask 6, the resin residues from the sacrificial layer 8, as well as other residues left by the passivation steps.
  • the removal of the resin and of the C 4 F 8 residues is carried out using an O 2 plasma.
  • the silicon surface which is desired to be roughened by applying the method is the surface of a wafer (referenced 12). It will however be understood that according to other variants (not illustrated) of this second embodiment, the surface in question could be that of a silicon-based watch component or that of the blank of such a component. .
  • the silicon body of wafer 12 is coated on all sides with a layer of silicon dioxide (SiO 2 ) 15, the thickness of which is approximately 0.8 microns.
  • the layer 15 may for example have been formed on the wafer 12 by thermal oxidation of the silicon at a temperature between 900 ° C and 1200 ° C.
  • the figure 6 illustrates the wafer 12 after a first step consisting in the production by photolithography of an openwork etching mask 16 on the upper face of the wafer 12.
  • the etching mask is a resin mask, and it can be produced conventionally, for example with photosensitive resin of the AZ® 1518 type.
  • the resin can be applied with a spinner at 4000 revolutions / minute so as to deposit a layer whose thickness is approximately 2.6 microns.
  • the resin layer deposited by photolithography is then structured before subjecting it to annealing.
  • the step whose result is illustrated in figure 7 consists in etching the SiO 2 layer through the openings of the resin mask 16, so as to structure it and make it an etching mask.
  • RIE reactive ion etching
  • the figure 8 illustrates wafer 12 after removal of resin mask 16. This removal can be done in a number of ways known to those skilled in the art, and it will be further understood that it could just as well occur later in the process.
  • the oxide layer 15 which had been structured during the previous step is now in the position of serving as an etching mask capable of withstanding the DRIE process which will be implemented during a subsequent step.
  • the figure 8 also shows a new sacrificial layer (referenced 18) which covers the etching mask 15 in SiO 2 , as well as the silicon exposed through the openings of the mask 15.
  • the sacrificial layer 18 can be made with AZ® 1518 type resin.
  • the resin can be applied with a spinner. 5000 revolutions / minute, so as to form a thin layer, the thickness of which is approximately 1.8 microns.
  • the etching step aims to create inhomogeneities in the sacrificial layer 18 and to transfer the latter to the places of the silicon surface which it is desired to make rough.
  • This step can be implemented in an identical manner to what has already been explained above in relation to the figure 4 of the first example.
  • the DRIE etching step continues long enough to transfer inhomogeneities of the sacrificial layer 18 to the places to be roughened of the silicon surface, so that said places are roughened according to the degree of desired frosting.
  • the figure 10 illustrates wafer 12 after the resin residues of the sacrificial layer 18 and the residues of C 4 F 8 left by the passivation steps have been removed.
  • the elimination of residues can be carried out using an 02 plasma.
  • the process step, the result of which is illustrated in figure 11 consists in the elimination of all the SiO 2 which covers the wafer 12. In a manner known not per se, this step can be carried out in the form of wet etching with BHF.
  • the figure 12 is a photographic view showing the upper face of a silicon wafer, the surface of which has been roughened in places by applying one or the other of the two exemplary embodiments of the invention which have been described so far .
  • the areas of the silicon surface which have been etched by the process are clearly visible in the photograph.
  • a review of the figure 12 allows one to get an idea of the innumerable graphic possibilities offered by the method of the invention for giving watchmaking components (eg, balance springs, hands, anchors, wheels, dials, etc.) a visually unique personality.
  • FIG. 13 illustrates the wafer 12, the silicon surface of which has previously been frosted in places in accordance with the second embodiment which has been described above.
  • the figure 13 illustrates the wafer 12 following the formation of a new openwork etching mask 20 on its upper face.
  • This new mask 20 can be produced in a conventional manner, for example by first depositing a layer of approximately 7 microns thick of AZ® 9260 photosensitive resin.
  • the mask of etching 20 must be capable of withstanding the DRIE process which will be implemented in a subsequent step.
  • the figure 14 shows wafer 12 after performing DRIE etching to cut wafer 12 into several pieces. It is worth clarifying that the cutting of a wafer by DRIE engraving is already known as such. Traditional settings are moreover preferably used for carrying out this etching. It will be understood that at least some of the pieces represented schematically in the figure 14 , are in fact horological components or at least blanks of such components.
  • the figures 13 and 14 describe the etching of a face of a wafer by DRIE after the surface of the latter has been frosted in places using the method of the invention.
  • An embodiment of the invention will now be described in which, conversely, at least one timepiece component blank (in this case the blank of a hairspring) is first cut from a wafer. before roughening the surface of the component in places.
  • This third exemplary embodiment of the method of the invention will be described with reference to the figures 20 to 23 appended, which are diagrammatic views in vertical section which illustrate the blank of a silicon watch component at four successive instants of the implementation of a method.
  • the figures 17 to 19 are schematic views in vertical section which constitute three successive snapshots showing the production of the blank of a silicon watch component from an SOI wafer.
  • the figure 17 illustrates the wafer SOI (silicon on insulator) referenced 22. Conventionally, this wafer is made up of two layers of silicon and a layer of silicon dioxide sandwiched between the layers of silicon.
  • the figure 17 illustrates the wafer 22 following the production of an openwork etching mask 26 by photolithography on the upper face of the wafer 22.
  • the mask 26 can be produced in a conventional manner. For example, by proceeding in the manner described above in relation to the figure 13 .
  • the figure 18 illustrates the SOI 22 wafer after the upper silicon layer has been etched over its entire thickness (approximately 120 microns) by conventional DRIE etching.
  • the figure 19 illustrates the SOI wafer 22 after the removal of the etching mask 26.
  • the dissolution of the mask 26 can be obtained for example by immersing the SOI wafer 22 for a few hours in a KOH solution.
  • the figure 19 further shows that a layer of silicon dioxide 24 entirely covers the surfaces of the SOI wafer 22 and of the timepiece component blank which is formed in its upper silicon layer.
  • the thickness of the SiO 2 layer is approximately 0.8 microns. It will be understood that the dioxide layer 24 has been formed after the removal of the etching mask 26.
  • the dioxide layer may have been formed on the wafer 22, for example, by thermal oxidation at a temperature between 900 ° C and 1200 ° C.
  • the figures 20 to 23 are schematic vertical sectional views illustrating four successive instants of the third exemplary particular embodiment of the invention.
  • this third embodiment makes it possible to roughen in places the surface of a watch component or of the blank of such a component; the component or blank having first been cut in a wafer.
  • the method is implemented to roughen at least in places the blank of the watch component whose production by micro-machining of the SOI wafer (referenced 22) has just been described in relation to the components.
  • figures 17 to 19 The figure 20 illustrates the SOI 22 wafer, as well as the watch component blank which is formed in the top layer of the latter, after having removed the part of the silicon dioxide layer 24 which covered the upper face of the blank.
  • directional reactive ion etching directional ion etching (directional RIE) was used so as to remove silicon dioxide only on the upper face.
  • the following figure illustrates the SOI wafer 22 after the deposition of a layer of photosensitive resin 28 completely covering the blank.
  • the resin can be, for example, of the AZ® 1518 type. It can be applied with a spinner at a speed of 4000 revolutions / minute so that the thickness of the layer 28 is about 2.6 microns.
  • the figure 22 illustrates the SOI wafer 22 after the production of an openwork mask by structuring the resin layer 28.
  • the structuring of the layer 28 is carried out by photolithography by implementing the RIE etching. It will be understood that the apertures of the mask are arranged so as to expose only the surfaces to be roughened.
  • the figure 22 also shows a sacrificial layer 30 which was then deposited on the resin layer 28 and in the openings of the latter.
  • the sacrificial layer 30 can for example be produced by applying photosensitive resin of the AZ® 1518 type with a spinner at 5000 revolutions / minute.
  • the figure 23 illustrates the SOI wafer 22, as well as the timepiece component blank which is formed in the upper layer of the latter, after the transfer by DRIE etching of inhomogeneities of the sacrificial layer 30 on the places to be roughened of the blank.
  • the figure 23 further shows that the resin residues of the perforated mask 28 and of the sacrificial layer 30, as well as the residues of C4F8 left by the passivation steps have been removed.
  • the figure 23 finally shows that the SiO 2 which covered the side faces of the blank has also been eliminated.
  • the horological component blank can finally be detached from the remainder of the SOI wafer 22.
  • the SOI wafer and the blank are immersed in a bath which contains a chemical agent which attacks the silicon dioxide while sparing the silicon.
  • a chemical agent which attacks the silicon dioxide while sparing the silicon Preferably, buffered hydrofluoric acid (BHF) is used.

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Abstract

Le procédé pour dépolir par endroit une surface en silicium (4) comporte les étapes suivantes:a) réaliser un masque de gravure ajouré (6) sur la surface en silicium, de manière à ce que les endroits à dépolir soient exposés;b) déposer une couche sacrificielle (8) de résine sur les endroits exposés de la surface et sur le masque de gravure ;c) attaquer la couche de résine sacrificielle par gravure ionique réactive profonde (DRIE) assez longtemps pour transférer des inhomogénéités de la couche sacrificielle sur les endroits à dépolir de la surface en silicium.

Description

  • La présente invention concerne un procédé pour dépolir par endroits une surface en silicium. Elle concerne plus particulièrement un procédé pour dépolir par endroits une surface en silicium d'un wafer dans lequel on va ensuite micro-usiner un composant horloger ou, alternativement, pour dépolir par endroits une surface en silicium du composant horloger lui-même ou de l'ébauche de celui-ci.
  • Dans le présent document, le verbe « dépolir » a le sens d'attaquer une surface de façon à lui ôter son « poli ». Une surface est ainsi qualifiée de « dépolie » lorsqu'elle présente une rugosité suffisante pour diffuser ou absorber la lumière incidente. Finalement, dans le contexte du présent document, une surface est dite rugueuse lorsqu'elle présente un relief irrégulier comprenant des creux et des pics, ces creux, ou cratères, présentant une profondeur allant d'une centaine de nanomètres à un micromètre.
    • ART ANTERIEUR
  • Reflet à la fois de la mode et de la technique, le monde de l'horlogerie accorde une place toute particulière à l'esthétique. C'est probablement la raison pour laquelle l'emploi de composants décorés y est monnaie courante. On pense en particulier (mais pas exclusivement) aux cadrans de montre, qui sont souvent ornés de gravures. Ces décorations traditionnelles existent dans de nombreuses variétés, ciselage, guillochage, perlage, soleillage, ou encore côtes de Genève, etc.
  • Aujourd'hui, de plus en plus de composants horlogers sont réalisés en silicium. Or ce matériau possède un grand inconvénient : il est fragile. Si on le soumet à des contraintes qui dépassent une certaine intensité, il se casse sans déformation plastique préalable. En effet, le silicium n'est absolument pas ductile, et on comprendra donc qu'il ne peut pas être gravé en utilisant les techniques traditionnelles des horlogers.
  • Le silicium cristallin est opaque et réfléchit la lumière. Son aspect est celui d'un métal gris foncé. Cette teinte peut donner une apparence un peu austère aux pièces réalisées en silicium. Dans le but de remédier à cet inconvénient et de donner une apparence un peu plus gaie à ces composants, on a proposé de revêtir leur surface d'une mince couche de dioxyde transparent. En effet, cette couche de dioxyde de silicium est le théâtre de phénomènes d'interférences lumineuses accompagnés de l'apparition de couleurs irisées. Ces dernières ont notamment la particularité d'être dépendantes de l'angle d'observation. Les composants qui présentent de telles surfaces aux reflets arc-en-ciel sont très appréciés. Il n'en reste pas moins qu'un besoin demeure pour l'homme du métier de disposer d'un procédé lui permettant de travailler l'aspect des surfaces des composants horloger en silicium, d'une manière qui permette de conférer à chaque modèle de pièces d'horlogerie une personnalité proprement unique.
    • BREF EXPOSE DE L'INVENTION
  • Un but de la présente invention est de remédier aux problèmes de l'art antérieur qui viennent d'être expliqués. La présente invention atteint ce but ainsi que d'autres en fournissant un procédé pour dépolir par endroits une surface en silicium, qui est conforme à la revendication 1 annexée.
  • Conformément à l'étape (a) du procédé de l'invention, on délimite d'abord les endroits de la surface en silicium qui seront dépolis en réalisant un masque de gravure comportant des ouvertures.
  • Conformément à l'étape (b) du procédé de l'invention, on dépose une couche sacrificielle de résine sur le masque de gravure et à l'intérieur de ses ouvertures. Conformément à l'invention, la réalisation de la couche sacrificielle ne fait intervenir, ni exposition, ni recuit de la résine de la couche sacrificielle. Un avantage de cette particularité est qu'elle contribue à raccourcir et à simplifier la mise en oeuvre de l'étape (b) du procédé.
  • Conformément à l'étape (c) du procédé de l'invention, on attaque ensuite la couche de résine sacrificielle par gravure ionique réactive profonde (habituellement désignée par son acronyme anglais « DRIE »), de manière à transférer des inhomogénéités de la couche sacrificielle sur les endroits à dépolir de la surface en silicium. La gravure ionique réactive profonde est la technique de gravure la plus utilisée pour le micro-usinage de composants à base de silicium. Cette technique est déjà décrite notamment dans le document de brevet WO 94/14187 au nom de Robert Bosch GmbH. Ce document est incorporé par référence dans la présente description. La gravure ionique réactive profonde permet de graver des profils à flancs quasiment verticaux dans un substrat à base de silicium en appliquant une procédure qui fait 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 appelle 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. Toutefois, durant l'étape de gravure qui suit, le bombardent 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. On comprendra de ce qui précède que la gravure ionique réactive profonde, qui intervient à l'étape (c) du procédé de l'invention, se distingue des autres procédés de gravure courants par son caractère hautement anisotrope, quasiment unidirectionnel. Un avantage du recours à la technique de gravure ionique réactive profonde est donc qu'elle permet de transférer au substrat les inhomogénéités de la couche sacrificielle avec une résolution élevée et sans atténuation. Il est important de noter qu'on ne retrouve pas cet avantage avec les autres techniques courantes qui ont un degré d'anisotropie moindre. En effet, avec ces techniques moins anisotropes, la divergence considérable qui existe entre les directions de gravure permet uniquement le transfert d'une rugosité fortement atténuée sur la surface en silicium.
  • Comme on va le voir plus en détail ci-après, les différents modes de mise en oeuvre de l'invention permettent de dépolir par endroit, de façons identiques ou différentes, la surface d'un wafer en silicium dans lequel on va ensuite micro-usiner un composant horloger ou, alternativement, de dépolir par endroit une surface, ou plusieurs surfaces, du dit composant horloger lui-même ou de l'ébauche de celui-ci. On notera que le wafer, le composant horloger, ou son ébauche, peut avoir été préalablement recouvert ou non d'une couche de SiO2. L'invention permet d'associer sur une même plaque, ébauche ou composant, deux effets différents, tel que mat et brillant ou poli et dépoli, ce qui offre de nouvelles possibilités dans l'habillage.
  • De manière avantageuse, les surfaces dépolies par endroits correspondent à des surfaces visibles de l'extérieur de la pièce d'horlogerie. Les surfaces dépolies sont en outre de préférence situées dans des zones non fonctionnelles des composants horlogers, afin de ne pas interférer avec les mécanismes horlogers et maintenir des propriétés mécaniques optimales.
    • BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • les figures 1 à 5 sont des vues schématiques en coupe verticale qui constituent cinq instantanés successifs au cours de la mise en oeuvre d'un procédé pour dépolir par endroit une surface en silicium, qui est conforme à un premier mode de mise oeuvre particulier de de l'invention ;
    • les figures 6 à 11 sont des vues schématiques en coupe verticale qui constituent six instantanés successifs au cours de la mise en oeuvre d'un procédé pour dépolir par endroit une surface en silicium, qui est conforme à un deuxième mode de mise oeuvre particulier de de l'invention ;
    • la figure 12 est une vue photographique montrant la face supérieure d'un wafer en silicium dont la surface a été dépolie par endroits en appliquant l'un ou l'autre des deux modes de mise en oeuvre particuliers de l'invention qui font respectivement l'objet des figures 1 à 5 et 6 à 11 ;
    • les figures 13 et 14 sont deux vues schématiques en coupe verticale qui constituent deux instantanés au cours de la réalisation de composants horloger par micro-usinage d'un wafer en silicium dont la surface a préalablement été dépolie par endroits à l'aide de l'un ou l'autre des deux modes de mise en oeuvre particuliers de l'invention qui font respectivement l'objet des figures 1 à 5 et 6 à 11 ;
    • les figures 15 et 16 sont deux vues au microscope d'un spiral à base de silicium dont la surface a été dépolie par endroits en appliquant un troisième mode de mise en oeuvre particulier de l'invention, ce dernier faisant l'objet des figures 20 à 23 ;
    • les figures 17 à 19 sont des vues schématiques en coupe verticale qui constituent trois instantanés successifs montrant la réalisation de l'ébauche d'un composant horloger en silicium par micro-usinage d'un wafer SOI ;
    • les figures 20 à 23 sont des vues schématiques en coupe verticale qui constituent quatre instantanés successifs au cours de la mise en oeuvre d'un procédé pour dépolir par endroit une surface en silicium, qui est conforme à un troisième mode de mise oeuvre particulier de de l'invention.
    DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE MISE EN ŒUVRE
  • On va maintenant décrire un premier mode exemplaire de mise en oeuvre du procédé de l'invention en faisant référence aux figures 1 à 5 annexées qui sont cinq vues schématiques en coupe verticale qui illustrent des instants successifs de la mise en oeuvre. La Figure 1 illustre un objet (référencé 2) qui comporte au moins une surface en silicium 4 que l'on désire dépolir par endroits à l'aide du procédé de l'invention. Conformément à l'exemple illustré, le terme « objet » désigne un wafer de silicium. On comprendra toutefois que conformément à d'autres variantes (non illustrées), ce terme pourrait alternativement désigner un composant horloger à base de silicium ou l'ébauche d'un tel composant.
  • La figure 2 illustre l'objet 2 suite à la réalisation par photolithographie d'un masque de gravure ajouré 6 sur la surface en silicium 4. Ce masque 6 peut être réalisé de toute manière connue de l'homme du métier. Notamment en déposant d'abord une couche de résine photosensible sur la surface 4, et en structurant ensuite cette couche par photolithographie avant de lui faire subir un recuit. Dans le présent exemple, la couche de résine photosensible est une couche de AZ® 9260 dont l'épaisseur est d'environ 7 microns. On comprendra toutefois que la résine peut naturellement être d'un autre type. De plus, son épaisseur n'est bien évidemment pas nécessairement de 7 microns. L'épaisseur de la couche de résine est typiquement, mais pas nécessairement, comprise entre 5 et 15 microns.
  • La figure 3 illustre l'objet 2 suite au dépôt d'une couche sacrificielle 8 de résine sur le masque de gravure 6 et sur les parties de la surface 4 qui sont exposées à travers les ouvertures du masque 6. La couche sacrificielle de résine présente généralement une épaisseur inférieure ou égale à 5 microns, typiquement inférieure ou égale à 3 microns. Dans le présent exemple, la couche sacrificielle 8 est réalisée avec de la résine photosensible positive du type AZ® 1518. Cette résine particulière est adaptée pour réaliser des couches minces. À titre d'exemple, la résine peut être appliquée à la tournette à 5000 tours/minute. Cette vitesse conduit au dépôt d'une couche mince dont l'épaisseur est d'environ 1,8 micron. Conformément à l'invention, une fois que la résine qui forme la couche sacrificielle 8 a été déposée, on passe à l'étape subséquente de gravure sans avoir insolé ou recuit la couche de résine 8 au préalable.
  • La figure 4 illustre l'objet 2 après l'étape de gravure susmentionnée. Cette étape de gravure consiste à attaquer la couche de résine sacrificielle 8 par gravure ionique réactive profonde (DRIE). Le tableau I ci-dessous indique les principaux paramètres utilisés dans le présent exemple pour mettre en oeuvre la gravure DRIE. Tableau I
    Step Pression Puissance LF Platen Pulsing He BP Gaz Temp toop
    PPS/PSS Primaire Secondaire Time
    s mT W W Hz/% mT sccm sccm °C nb / min
    GR DEP 1 30 2800/300 70 150/20 0 C4F8-O2/200-50 30 300
    E1 1 40 2800/600 0 150/20 0 SF6/300 22.50
    E2 2.5 40 2800/600 0 150/20 0 SF6-C4F8/300
  • Conformément à ce qu'indique le tableau I, la version du procédé DRIE utilisée dans le présent exemple est basée sur un cycle constitué par une étape (désignée par le sigle DEP) de formation d'une couche de passivation, suivie de deux étapes distinctes (respectivement désignées par E1 et E2) de gravure plasma. Pour former la couche de passivation, on injecte un mélange gazeux formé de 4/5 de C4F8 et de 1/5 de O2. Pour la première étape de gravure E1, on utilise un premier plasma produit à partir de SF6. La fonction de ce premier plasma est de désintégrer la partie de la couche de passivation qui se trouve au fond des profils. Quant à la deuxième étape de gravure E2, elle utilise un plasma formé à partir d'un mélange de SF6 et de C4F8. La fonction de ce deuxième plasma est de creuser les profils par gravure réactive du fond de ces derniers.
  • L'étape de gravure dont le résultat est illustré dans la figure 4 a pour but de créer des inhomogénéités dans la couche sacrificielle 8 et de transférer ces dernières sur les endroits de la surface en silicium 4 que l'on désire rendre rugueux. Dans le but de maximiser la rugosité de la surface 4 aux endroits à dépolir, on utilise de préférence les paramètres qui figurent dans le tableau I pour la mise en oeuvre la gravure DRIE. Ces paramètres sont différents de ceux qu'on utilise d'habitude pour des applications plus traditionnelles de la gravure ionique réactive profonde. On comprendra toutefois que l'homme du métier peut choisir librement les valeurs des paramètres de gravure, parmi les valeurs qui lui semblent adéquates, sans sortir du cadre de l'invention. Les principales différences entre les valeurs des paramètres qui figurent dans le tableau I et les valeurs qu'on utiliserait normalement pour une gravure DRIE traditionnelle sont énumérées ci-dessous :
    • la température du procédé (c.-à-d. la température de l'objet 2) est de 30°C. Autrement dit, elle est supérieure à la température ambiante, alors que la température est normalement comprise entre -10°C et 20°C. Dans ces conditions, la couche sacrificielle 8 cuit de manière inhomogène, jusqu'à ce qu'elle soit consommée totalement ;
    • on effectue la gravure sans faire passer de flux d'Hélium au dos de l'objet 2. Autrement dit, on supprime la circulation de gaz sous la plaque support de l'appareil. En effet, ce gaz est susceptible de contribuer au refroidissement de l'objet 2. Dans les applications courantes en revanche, on a l'habitude d'injecter un flux d'hélium à cet endroit sous une pression comprise entre 5mT et 15mT ;
    • la valeur indiquée dans la colonne intitulée « LF Platen » correspond à la puissance qui est utilisée pour accélérer les ions dans la direction perpendiculaire à la surface 4. La puissance d'accélération contribue à l'inhomogénéité. Dans le présent exemple, on donne une valeur inhabituellement élevée à cette puissance pendant la phase de passivation (DEP), de l'ordre de 30 à 50 Watts, typiquement 40 Watts. Alors que, dans les applications courantes la puissance est normalement comprise entre 0 et 20 Watts durant la phase DEP et comprise entre 30 et 150 Watts durant les phases E1 et E2.
    Les trois différences ci-dessus favorisent une gravure très inhomogène de la résine et permettent ainsi de rendre la surface en silicium particulièrement rugueuse. L'homme du métier comprendra qu'il peut obtenir un degré de rugosité adapté à ses besoins particuliers en faisant varier les paramètres ci-dessus.
  • Conformément à l'invention, l'étape de gravure DRIE se poursuit assez longtemps pour transférer des inhomogénéités de la couche sacrificielle 8 sur les endroits à dépolir (ou autrement dit rugueux) de la surface en silicium 4. On comprendra donc que la gravure se poursuit au minimum jusqu'à ce que des orifices débouchants aient été créés à travers la couche sacrificielle 8. On peut par exemple repérer ce premier moment charnière par détection de la présence d'atomes de silicium, ou de composés comportant du silicium, dans le réacteur dans lequel la gravure DRIE est mise en oeuvre. À l'autre extrême, la gravure ne devrait pas être poursuivie après que la couche sacrificielle 8 a été totalement consommée. On comprendra que ce second moment charnière est concomitant avec la disparition des espèces chimiques caractéristiques de la couche sacrificielle, qui étaient présentes jusque-là dans le réacteur. Après étalonnage du procédé, l'homme du métier pourra déterminer, par exemple par chronométrage, le moment où il souhaite arrêter la gravure. Le moment que l'homme du métier choisira pour l'arrêt de la gravure sera situé dans l'intervalle entre les premier et second moments charnières susmentionnés.
  • Enfin, la figure 5 illustre l'objet 2 suite à une dernière étape consistant à éliminer le masque de gravure 6, les résidus de résine de la couche sacrificielle 8, ainsi que d'autres résidus laissés par les étapes de passivation. Dans le présent exemple, le retrait de la résine et des résidus C4F8, est réalisé à l'aide d'un plasma O2.
  • On va maintenant décrire un deuxième mode exemplaire de mise en oeuvre du procédé de l'invention en faisant référence aux figures 6 à 11 annexées qui sont des vues schématiques en coupe verticale montrant six instants successifs de cette mise en oeuvre particulière. Conformément à ce deuxième mode de mise oeuvre, la surface en silicium que l'on désire dépolir par application du procédé est la surface d'un wafer (référencé 12). On comprendra toutefois que conformément à d'autres variantes (non illustrées) de ce deuxième mode de mise en oeuvre, la surface en question pourrait être celle d'un composant horloger à base de silicium ou celle de l'ébauche d'un tel composant.
  • En se référant plus particulièrement aux figures 6 à 10, on peut voir que, conformément à une pratique répandue, le corps en silicium du wafer 12 est revêtu sur tous les côtés par une couche de dioxyde de silicium (SiO2) 15 dont l'épaisseur est d'environ 0.8 micron. De manière connue en soi, la couche 15 peut par exemple avoir été formée sur le wafer 12 par oxydation thermique du silicium à une température comprise entre 900°C et 1200°C.
  • La figure 6 illustre le wafer 12 après une première étape consistant en la réalisation par photolithographie d'un masque de gravure ajouré 16 sur la face supérieure du wafer 12. Dans le présent exemple, le masque de gravure est un masque en résine, et il peut être réalisé de façon classique, par exemple avec de la résine photosensible du type AZ® 1518. La résine peut être appliquée à la tournette à 4000 tours/minute de manière à déposer une couche dont l'épaisseur est d'environ 2,6 microns. On structure ensuite la couche de résine déposée par photolithographie avant de lui faire subir un recuit.
  • L'étape dont le résultat est illustré dans la figure 7 consiste à graver la couche de SiO2 à travers les ouvertures du masque de résine 16, de manière à la structurer et à en faire un masque de gravure. Conformément au présent exemple, on utilise la gravure ionique réactive (RIE) pour éliminer entièrement le dioxyde là où il est exposé, de manière à faire apparaître le silicium à tous les endroits où il doit être dépoli.
  • La figure 8 illustre le wafer 12 après le retrait du masque de résine 16. Ce retrait peut être effectué de multiples manières connues de l'homme du métier, et on comprendra en outre qu'il pourrait tout aussi bien survenir plus tard dans le procédé. La couche d'oxyde 15 qui avait été structurée lors de l'étape précédente se trouve maintenant en position de servir de masque de gravure capable de résister au processus DRIE qui va être mis en oeuvre lors d'une étape ultérieure. La figure 8 montre encore une nouvelle couche sacrificielle (référencée 18) qui recouvre le masque de gravure 15 en SiO2, ainsi que le silicium exposé à travers les ouvertures du masque 15. Comme déjà expliqué en relation avec la figure 3, la couche sacrificielle 18 peut être réalisée avec de la résine type AZ® 1518. Comme dans le cas de l'exemple précédent, la résine peut être appliquée à la tournette à 5000 tours/minute, de manière à former une couche mince dont l'épaisseur est d'environ 1,8 micron.
  • L'étape de gravure dont le résultat est illustré dans la figure 9 a pour but de créer des inhomogénéités dans la couche sacrificielle 18 et de transférer ces dernières sur les endroits de la surface en silicium que l'on désire rendre rugueux. Cette étape peut être mise en oeuvre de façon identique à ce qui a déjà été expliqué ci-dessus en relation avec la figure 4 du premier exemple. Conformément à l'invention, l'étape de gravure DRIE se poursuit assez longtemps pour transférer des inhomogénéités de la couche sacrificielle 18 sur les endroits à dépolir de la surface en silicium, de façon à ce que lesdits endroits soient rendus rugueux selon le degré de dépolissage souhaité.
  • La figure 10 illustre le wafer 12 après que les résidus de résine de la couche sacrificielle 18 et les résidus de C4F8 laissés par les étapes de passivation aient été éliminés. Comme dans le premier exemple, l'élimination des résidus peut être réalisée à l'aide d'un plasma 02. Enfin, l'étape du procédé dont le résultat est illustré dans la figure 11 consiste en l'élimination de tout le SiO2 qui recouvre le wafer 12. De façon connue ne soi, cette étape peut être mise en oeuvre sous forme d'une gravure humide au BHF.
  • La figure 12 est une vue photographique montrant la face supérieure d'un wafer en silicium dont la surface a été dépolie par endroits en appliquant l'un ou l'autre des deux modes de mise en oeuvre exemplaire de l'invention qui ont été décrits jusqu'ici. Les endroits de la surface en silicium qui ont été dépolis par le procédé sont parfaitement visibles dans la photographie. Un examen de la figure 12 permet de se faire une idée des innombrables possibilités graphiques qu'offre le procédé de l'invention pour conférer à des composants de horlogers (p.ex., spiraux, aiguilles, ancres, roues, cadrans, etc.) une personnalité visuellement unique.
  • Les figures 13 et 14 sont deux vues schématiques en coupe verticale qui illustrent deux instants au cours de la réalisation de composants horloger par micro-usinage à partir d'un wafer en silicium dont la surface a préalablement été dépolie par endroits à l'aide du procédé de l'invention. A titre d'exemple, la figue 13 illustre le wafer 12 dont la surface en silicium a précédemment été dépolie par endroits conformément au deuxième mode de mise en oeuvre qui a été décrit ci-dessus. La figure 13 illustre le wafer 12 suite à la formation d'un nouveau masque de gravure ajouré 20 sur sa face supérieure. Ce nouveau masque 20 peut être réalisé de manière classique, par exemple en déposant d'abord une couche d'environ 7 microns d'épaisseur de résine photosensible du AZ® 9260. Une fois cette couche de résine photosensible structurée et recuite, le masque de gravure 20 doit être capable de résister au processus DRIE qui sera mis en oeuvre lors d'une étape ultérieure. La figure 14 montre le wafer 12 après la mise en oeuvre de la gravure DRIE pour découper le wafer 12 en plusieurs morceaux. Il vaut la peine de préciser que le découpage d'un wafer par gravure DRIE est déjà connu en tant que tel. On utilise d'ailleurs de préférence des réglages traditionnels pour la mise en oeuvre de cette gravure. On comprendra que certains au moins des morceaux représentés de façon schématique dans la figure 14, sont en fait des composants horlogers ou du moins des ébauches de tels composants.
  • Comme on l'a vu, les figures 13 et 14 décrivent la gravure d'une face d'un wafer par DRIE après que la surface de ce dernier ait été dépolie par endroit à l'aide du procédé de l'invention. On va maintenant décrire un mode de mise en oeuvre de l'invention dans lequel, à l'inverse, on découpe d'abord au moins une ébauche de composant horloger (en l'occurrence l'ébauche d'un spiral) dans un wafer avant de dépolir par endroits la surface du composant. Ce troisième mode exemplaire de mise en oeuvre du procédé de l'invention sera décrit en faisant référence aux figures 20 à 23 annexées, qui sont des vues schématiques en coupe verticale qui illustrent l'ébauche d'un composant horloger en silicium à quatre instants successifs de la mise en oeuvre d'un procédé.
  • Les figures 17 à 19 sont des vues schématiques en coupe verticale qui constituent trois instantanés successifs montrant la réalisation de l'ébauche d'un composant horloger en silicium à partir d'un wafer SOI. La figure 17 illustre le wafer SOI (silicium sur isolant) référencé 22. De façon conventionnelle, ce wafer est constitué de deux couches de silicium et d'une couche de dioxyde de silicium prise en sandwich entre les couches de silicium. La figure 17 illustre le wafer 22 suite à la réalisation d'un masque de gravure ajouré 26 par photolithographie sur la face supérieure du wafer 22. Le masque 26 peut être réalisé de manière classique. Par exemple, en procédant de la manière décrite plus haut en relation avec la figure 13.
  • La figure 18 illustre le wafer SOI 22 après que la couche de silicium supérieure ait été gravée sur toute son épaisseur (environ 120 microns) par gravure DRIE conventionnelle.
  • La figure 19 illustre le wafer SOI 22 après le retrait du masque de gravure 26. De façon connue, la dissolution du masque 26 peut être obtenue par exemple en immergeant le wafer SOI 22 durant quelques heures dans une solution de KOH. La figure 19 montre encore qu'une couche de dioxyde de silicium 24 recouvre entièrement les surfaces du wafer SOI 22 et de l'ébauche de composant horloger qui est formée dans sa couche de silicium supérieure. L'épaisseur de la couche de SiO2 est d'environ 0.8 micron. On comprendra que la couche de dioxyde 24 a été formée après le retrait du masque de gravure 26. Comme déjà indiqué en relation avec les figures 6 à10, la couche de dioxyde peut avoir été formée sur le wafer 22, par exemple, par oxydation thermique à une température comprise entre 900°C et 1200°C.
  • Les figures 20 à 23 sont des vues schématiques en coupe verticale illustrant quatre instants successifs du troisième mode exemplaire de mise oeuvre particulier de de l'invention. Comme déjà mentionné, ce troisième mode de réalisation permet de dépolir par endroits la surface d'un composant horloger ou de l'ébauche d'un tel composant ; le composant ou l'ébauche ayant d'abord été découpé dans un wafer. Conformément au présent exemple, le procédé est mis en oeuvre pour dépolir au moins par endroits l'ébauche de composant horloger dont la réalisation par micro-usinage du wafer SOI (référencé 22) vient d'être décrite en relation avec les figures 17 à 19. La figure 20 illustre le wafer SOI 22, ainsi que l'ébauche de composant horloger qui est formée dans la couche de supérieure de ce dernier, après qu'on ait enlevé la partie de la couche 24 de dioxyde de silicium qui recouvrait la face supérieure de l'ébauche. Dans le présent exemple, on a utilisé la gravure ionique réactive directionnelle (RIE directionnelle) de façon à enlever le dioxyde de silicium uniquement sur la face supérieure.
  • La figure suivante (la figure 21) illustre le wafer SOI 22 après le dépôt d'une couche de résine photosensible 28 recouvrant complètement l'ébauche. A l'instar de ce qui a déjà été expliqué en relation avec la figure 6, la résine peut être par exemple du type AZ® 1518. Elle peut être appliquée à la tournette à la vitesse de 4000 tours/minute de manière que l'épaisseur de la couche 28 soit d'environ 2,6 microns.
  • La figure 22 illustre le wafer SOI 22 après la réalisation d'un masque ajouré par structuration de la couche de résine 28. Conformément au présent exemple, la structuration de la couche 28 est réalisée par photolithographie en mettant en oeuvre la gravure RIE. On comprendra que les ouvertures du masque sont agencées de manière à exposer uniquement les surfaces à dépolir. La figure 22 montre encore une couche sacrificielle 30 qui a été déposée ensuite sur la couche de résine 28 et dans les ouvertures de cette dernière. Conformément à ce qui a déjà été expliqué en relation avec la figure 3, la couche sacrificielle 30 peut par exemple être réalisée en appliquant de la résine photosensible du type AZ® 1518 à la tournette à 5000 tours/minute.
  • La figure 23 illustre le wafer SOI 22, ainsi que l'ébauche de composant horloger qui est formée dans la couche de supérieure de ce dernier, après le transfert par gravure DRIE d'inhomogénéités de la couche sacrificielle 30 sur les endroits à dépolir de l'ébauche. La figure 23 montre encore que les résidus de résine du masque ajouré 28 et de la couche sacrificielle 30, ainsi que les résidus de C4F8 laissés par les étapes de passivation ont été éliminés. La figure 23 montre enfin que le SiO2 qui recouvrait les faces latérales de l'ébauche a également été éliminé.
  • L'ébauche de composant horloger peut enfin être détachée du restant du wafer SOI 22. A cet effet, on immerge le wafer SOI et l'ébauche dans un bain qui contient un agent chimique qui attaque le dioxyde de silicium tout en épargnant le silicium. On utilise de préférence de l'acide fluorhydrique tamponné (BHF).
  • On comprendra en outre que diverses modifications et/ou améliorations évidentes pour un homme du métier peuvent être apportées aux modes de réalisation qui font l'objet de la présente description sans sortir du cadre de la présente invention définie par les revendications annexées.

Claims (7)

  1. Procédé pour dépolir par endroit une surface en silicium (4), le procédé comportant les étapes suivantes:
    a) réaliser un masque de gravure ajouré (6 ; 15 ; 28) sur la surface en silicium, de manière à ce que les endroits à dépolir de la surface soient exposés;
    b) déposer une couche sacrificielle (8 ; 18 ; 30) de résine sur les endroits exposés de la surface et sur le masque de gravure, la couche sacrificielle étant réalisée sans exposition de la résine, ni recuit;
    c) attaquer la couche de résine sacrificielle par gravure ionique réactive profonde (DRIE), continuer l'étape c) assez longtemps pour transférer des inhomogénéités de la couche sacrificielle sur l'étendue à dépolir de la surface en silicium, de façon à ce que ladite étendue soit rendue rugueuse.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape (c) est mise en oeuvre en laissant la température (Temp) de la surface en silicium s'élever au-dessus de la température ambiante.
  3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape (c) est mise en oeuvre en laissant la température (Temp) de la surface en silicium s'élever au-dessus de 30°C.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que l'étape (c) est mise en oeuvre en laissant la température (Temp) de la surface du silicium s'élever au point que la couche sacrificielle (8 ; 18 ; 30) cuit de manière inhomogène, jusqu'à ce qu'elle soit consommée totalement.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape (c) est mise en oeuvre en fournissant une puissance (LF Platen) supérieure à 40 Watts pour accélérer les ions dans la direction perpendiculaire à la surface en silicium durant les étapes de passivations (DEP).
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape (c) comporte les sous-étapes suivantes :
    i. attaquer par gravure ionique réactive la couche sacrificielle (8 ; 18 ; 30) et/ou la surface en silicium à travers les ajours du masque (6 ; 15 ; 28), de manière à creuser dans la couche sacrificielle et/ou la surface en silicium ;
    ii. déposer un couche de passivation chimiquement inerte sur les surfaces exposées par la gravure durant l'étape précédente ;
    iii. attaquer par gravure ionique réactive la couche de passivation à travers les ajours du masque, de manière à exposer la couche sacrificielle et/ou la surface en silicium au fond des creux approfondis durant la sous-étape (i) précédente ;
    iv. répéter l'exécution d'une séquence de sous-étapes comprenant les étapes (i), (ii) et (iii) jusqu'à la fin de l'étape (c).
  7. Composant horloger comportant une surface en silicium, ladite surface ayant été dépolie par endroit à l'aide du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
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