CH700139B1 - Micro-mechanical part in monocrystalline silicon carbide. - Google Patents

Micro-mechanical part in monocrystalline silicon carbide. Download PDF

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Nicolaas De Rooij
Alex Dommann
Sylvain Jeanneret
Pierre-Andre Clerc
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Suisse Electronique Microtech
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Abstract

La présente invention concerne une pièce micromécanique réalisée en carbure de silicium monocristallin. Elle concerne également un procédé de réalisation d’une telle pièce, comportant les étapes suivantes: – se doter d’une plaque en carbure de silicium monocristallin, – transférer l’image de la pièce à réaliser à l’aide d’un masque sur la plaque en carbure de silicium, – graver par gravure sèche sous atmosphère contrôlée, la plaque munie du masque, – éliminer le masque pour obtenir la pièce en carbure de silicium.The present invention relates to a micromechanical component made of monocrystalline silicon carbide. It also relates to a method for producing such a part, comprising the following steps: – be equipped with a monocrystalline silicon carbide plate, – transfer the image of the part to be made to the aid of a mask on the silicon carbide plate, – engrave by dry etching under controlled atmosphere, the plate provided with the mask, – remove the mask to get the silicon carbide piece.

Description

Domaine techniqueTechnical area

[0001] La présente invention concerne le domaine de la micromécanique et concerne, plus particulièrement, une pièce micromécanique. The present invention relates to the field of micromechanics and relates, more particularly, a micromechanical component.

Etat de la techniqueState of the art

[0002] Le carbure de silicium est connu pour ses propriétés de dureté et son comportement en matière de frottement. Ce matériau a été utilisé pour des pièces micromécaniques principalement comme revêtement de pièces, dont l’âme est réalisée en un autre matériau. Par exemple, le document US 4 495 254 enseigne l’utilisation de couche de protection, notamment en carbure de silicium, déposée sur une pièce métallique. [0002] Silicon carbide is known for its hardness properties and its friction behavior. This material has been used for micromechanical parts mainly as part coating, the core of which is made of another material. For example, US Pat. No. 4,495,254 teaches the use of a protective layer, in particular of silicon carbide, deposited on a metal part.

[0003] On connaît aussi du document FR 2 322 113 la possibilité de faire des pièces en carbure de silicium polycristallin. Toutefois, le carbure de silicium polycristallin est contraignant à mettre en œuvre et ne permet pas de réaliser des pièces complexes de très petite taille de manière précise. Le document US 2002/0 114 225 donne également des exemples de pièces réalisées en carbure de silicium polycristallin. [0003] Document FR 2 322 113 also discloses the possibility of making polycrystalline silicon carbide parts. However, polycrystalline silicon carbide is restrictive to implement and does not allow to make complex parts of very small size accurately. Document US 2002/0 114 225 also gives examples of parts made of polycrystalline silicon carbide.

[0004] La présente invention a pour but de conserver les avantages du carbure de silicium, en les appliquant à des pièces complexes, avec une grande précision. The present invention aims to retain the advantages of silicon carbide, by applying them to complex parts, with great precision.

Divulgation de l’inventionDisclosure of the invention

[0005] De manière plus précise, l’invention porte sur une pièce micromécanique réalisée en carbure de silicium monocristallin. Autrement dit, au moins l’âme de la pièce est réalisée en carbure de silicium. More specifically, the invention relates to a micromechanical component made of monocrystalline silicon carbide. In other words, at least the core of the part is made of silicon carbide.

[0006] Avantageusement, la pièce comprend au moins deux faces parallèles et est obtenue par gravure sèche à partir d’une plaque (wafer). Advantageously, the part comprises at least two parallel faces and is obtained by dry etching from a plate (wafer).

[0007] La pièce prend avantageusement la forme d’un composant horloger, telle qu’une roue, notamment d’échappement, ou une ancre. The piece advantageously takes the form of a watch component, such as a wheel, in particular exhaust, or an anchor.

[0008] L’invention concerne également un procédé de réalisation pour réaliser une pièce micromécanique en carbure de silicium monocristallin, comprenant au moins deux faces parallèles. Ce procédé comporte les étapes suivantes: – se doter d’une plaque en carbure de silicium monocristallin, – transférer l’image de la pièce à réaliser à l’aide d’un masque sur la plaque en carbure de silicium, – graver par gravure sèche sous atmosphère contrôlée, la plaque munie du masque, – éliminer le masque pour obtenir la pièce en carbure de silicium. The invention also relates to a production method for producing a micromechanical component made of monocrystalline silicon carbide, comprising at least two parallel faces. This process comprises the following steps: - obtain a monocrystalline silicon carbide plate, Transfer the image of the part to be produced using a mask on the silicon carbide plate, - engrave by dry etching in a controlled atmosphere, the plate provided with the mask, Remove the mask to obtain the silicon carbide piece.

[0009] On peut réaliser plusieurs étapes de masquage et de gravure, pour obtenir une pièce présentant différents niveaux de gravure. [0009] Several masking and etching steps can be performed to obtain a part having different levels of etching.

[0010] On peut également masquer et graver les deux faces de la plaque de carbure de silicium monocristallin sont masqués et gravés. One can also mask and etch both sides of the monocrystalline silicon carbide plate are masked and etched.

Brève description des dessinsBrief description of the drawings

[0011] D’autres caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, faite en référence à la fig. 1annexée représentant une pièce selon l’invention. Other features of the present invention will appear more clearly on reading the description which follows, with reference to FIG. 1Annexé representing a part according to the invention.

Mode(s) de réalisation de l’inventionMode (s) of realization of the invention

[0012] Le carbure de silicium monocristallin présente une faible densité, une très bonne résistance mécanique, une grande dureté, un haut module d’élasticité, une très bonne stabilité thermique et chimique, et des caractéristiques tribologiques intéressantes. De manière naturelle, le carbure de silicium monocristallin est de couleur jaune transparente. Malgré ses propriétés remarquables le carbure de silicium monocristallin n’a, jusqu’alors, pas été mis en œuvre pour réaliser des pièces micromécaniques massives. The monocrystalline silicon carbide has a low density, a very good mechanical strength, a high hardness, a high modulus of elasticity, a very good thermal and chemical stability, and interesting tribological characteristics. In a natural way, the monocrystalline silicon carbide is transparent yellow in color. Despite its remarkable properties, monocrystalline silicon carbide has not been used to produce massive micromechanical parts.

[0013] Pour leur fabrication, les pièces en carbure de silicium monocristallin sont réalisées à partir de plaques minces ou wafers de dimensions diverses, par gravure sèche sous atmosphère contrôlée, ce qui permet de réaliser un grand nombre de pièces en un lot. On notera que, selon les applications visées, on peut partir de plaques à faces parallèles ou de substrat présentant, de manière préalable, une ou des faces concaves ou convexes. For their manufacture, the monocrystalline silicon carbide parts are made from thin plates or wafers of various sizes, by dry etching in a controlled atmosphere, which allows for a large number of parts in a batch. It will be noted that, depending on the intended applications, it is possible to start from plates with parallel faces or from a substrate having, beforehand, one or more concave or convex faces.

[0014] Pour ce faire, on vient transférer l’image de la pièce ou des pièces à réaliser à l’aide d’un masque de gravure sur une plaque de carbure de silicium. Ce masque peut être réalisé au moyen d’une couche photosensible, transférée par procédé photolithographique ou par gravure physique. On peut aussi utiliser différentes couches comme masque de gravure dans lesquelles on transfère les images des pièces à réaliser par gravure chimique, physique ou par lift-off. Ces couches de masquage peuvent être de différents types, métalliques, organiques, oxyde divers, nitrure divers, céramique... To do this, we just transfer the image of the part or parts to be made using an etching mask on a silicon carbide plate. This mask can be produced by means of a photosensitive layer, transferred by photolithographic process or by physical etching. It is also possible to use different layers as an etching mask in which the images of the parts to be produced are transferred by chemical, physical or lift-off etching. These masking layers can be of different types, metallic, organic, various oxide, various nitride, ceramic ...

[0015] Le carbure de silicium est ensuite gravé par procédé de gravure sèche sous atmosphère contrôlée. On peut conserver un ou plusieurs points de liaison entre la pièce et la plaque, de manière à faciliter le traitement ultérieur, la pièce n’étant détachée de la plaque qu’en toute fin d’opération. La couche de masquage est ensuite enlevée pour obtenir les pièces en carbure de silicium. La gravure peut comporter plusieurs niveaux de gravure et ceci, des deux côtés des plaquettes de carbure de silicium. The silicon carbide is then etched by dry etching process under controlled atmosphere. One or more points of connection can be maintained between the part and the plate, so as to facilitate the subsequent processing, the part not being detached from the plate at the very end of operation. The masking layer is then removed to obtain the silicon carbide pieces. The etching may comprise several levels of etching and this, on both sides of the silicon carbide wafers.

[0016] On peut se référer au document EP 0 732 635 pour avoir une description des étapes possibles pour effectuer les masquages et pour un procédé de gravure sèche. [0016] Reference can be made to EP 0 732 635 for a description of the possible steps for carrying out masking and for a dry etching process.

[0017] Typiquement, il est possible d’arriver à réaliser des pièces de différents types et taille qui tiennent sur un substrat de carbure de silicium monocristallin, avec une précision de l’ordre du micromètre. A titre d’illustration, on a représenté sur la fig. 1 une roue d’échappement d’horlogerie en carbure de silicium monocristallin, selon l’invention. Typically, it is possible to achieve pieces of different types and size that fit on a monocrystalline silicon carbide substrate, with a precision of the order of a micrometer. By way of illustration, it is shown in FIG. 1 a watch exhaust wheel made of monocrystalline silicon carbide, according to the invention.

[0018] Un avantage supplémentaire proposé par le carbure de silicium est de permettre de nombreuses possibilités en matière de revêtement. Ainsi, la pièce massive de carbure de silicium obtenue précédemment et présentant, notamment, des qualités intéressantes en terme de poids, d’élasticité et de stabilité thermique, peut être recouverte de différentes couches aux propriétés diverses selon les applications choisies. Ces couches supplémentaires peuvent améliorer la résistance mécanique, le comportement en terme de frottement ou de lubrification, ou encore permettre de décorer la pièce. On peut également noter que des traitements de surface ultérieurs peuvent permettre de modifier l’apparence esthétique d’une pièce massive en carbure de silicium. An additional advantage offered by silicon carbide is to allow many possibilities in terms of coating. Thus, the solid piece of silicon carbide obtained above and having, in particular, qualities of interest in terms of weight, elasticity and thermal stability, can be covered with different layers of various properties depending on the chosen applications. These additional layers can improve the mechanical strength, the behavior in terms of friction or lubrication, or allow to decorate the room. It may also be noted that subsequent surface treatments may make it possible to modify the aesthetic appearance of a solid piece of silicon carbide.

[0019] Les avantages découlant de l’utilisation de carbure de silicium monocristallin pour des pièces de micromécaniques sont nombreux, particulièrement pour des applications horlogères ou médicales, notamment en référence à du silicium monocristallin, aujourd’hui très utilisé pour réaliser des pièces compliquées. Sa totale inertie chimique et sa stabilité thermique le rendent plus facile à utiliser que du silicium monocristallin. Après mise en forme, ses propriétés tribologiques et en terme d’usure, sont très supérieures à celles du silicium. Il peut ainsi être utilisé sans revêtement supplémentaire d’oxyde ou de diamant. Sa dureté intrinsèque combinée à son élasticité et à sa résistance à la rupture permettent d’envisager la fabrication de nouvelles pièces de forme non conventionnelle. The benefits arising from the use of monocrystalline silicon carbide for micromechanical parts are numerous, particularly for horological or medical applications, particularly with reference to monocrystalline silicon, which is nowadays widely used to produce complicated parts. Its total chemical inertness and thermal stability make it easier to use than monocrystalline silicon. After shaping, its tribological properties and in terms of wear, are much higher than those of silicon. It can thus be used without additional coating of oxide or diamond. Its intrinsic hardness combined with its elasticity and its resistance to fracture make it possible to envisage the manufacture of new parts of unconventional shape.

[0020] De plus, le carbure de silicium ayant une masse moléculaire supérieure au silicium monocristallin, mais étant moins dense que les métaux, de nombreuses applications peuvent être envisagées dans le domaine médical, pour des micro- et nanostructures, notamment en conditions difficiles. Son excellente conductivité thermique conjuguée à sa résistance aux chocs thermiques, permettent de réaliser de nouveaux types de soudure et de liaisons, notamment avec des céramiques, ce qui n’était pas possible avec du silicium monocristallin. In addition, silicon carbide having a higher molecular mass than monocrystalline silicon, but being less dense than metals, many applications can be envisaged in the medical field, for micro- and nanostructures, especially under difficult conditions. Its excellent thermal conductivity combined with its resistance to thermal shock, make it possible to achieve new types of welding and bonding, especially with ceramics, which was not possible with single crystal silicon.

Claims (6)

1. Pièce micromécanique réalisée en carbure de silicium monocristallin.1. Micromechanical part made of monocrystalline silicon carbide. 2. Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins deux faces parallèles.2. Part according to claim 1, characterized in that it comprises at least two parallel faces. 3. Pièce selon la revendication 2, caractérisée en ce qu’elle est un composant horloger.3. Part according to claim 2, characterized in that it is a watch component. 4. Procédé de réalisation d’une pièce selon l’une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes: – se doter d’une plaque en carbure de silicium monocristallin, – transférer l’image de la pièce à réaliser à l’aide d’un masque sur la plaque en carbure de silicium, – graver par gravure sèche sous atmosphère contrôlée, la plaque munie du masque, – éliminer le masque pour obtenir la pièce en carbure de silicium.4. A method of producing a part according to one of claims 2 and 3, characterized in that it comprises the following steps: - obtain a monocrystalline silicon carbide plate, Transfer the image of the part to be produced using a mask on the silicon carbide plate, - engrave by dry etching in a controlled atmosphere, the plate provided with the mask, Remove the mask to obtain the silicon carbide piece. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu’il comprend plusieurs étapes de masquage et de gravure, pour permettre d’obtenir la pièce présentant différents niveaux de gravure.5. Method according to claim 4, characterized in that it comprises several steps of masking and etching, to obtain the piece having different levels of etching. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux faces de la plaque en carbure de silicium monocristallin sont masquées et gravées.6. Method according to claim 5, characterized in that the two faces of the monocrystalline silicon carbide plate are masked and etched.
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