Domaine de l'invention
[0001] L'invention se rapporte à un moule destiné à fabriquer une pièce de micromécanique par galvanoplastie ainsi que son procédé de fabrication.
Arrière-plan de l'invention
[0002] La galvanoplastie est utilisée et connue depuis longtemps. Les procédés du type LIGA (abréviation très connue provenant de l'allemand ("röntgen Lithographie, Galvanoformung & Abformung") sont plus récents. Ils consistent à former un moule par photolithographie d'une résine photosensible puis d'y faire croître par galvanoplastie un dépôt métallique comme du nickel. La précision de tels procédés LIGA est bien meilleure que celle d'un moule classique obtenue, par exemple, par usinage. De telles précisions autorisent ainsi la fabrication de pièces de micromécanique notamment pour des mouvements horlogers qui étaient avant inenvisageables.
[0003] Cependant, de tels procédés ne sont pas adaptés pour les pièces de micromécanique à grand élancement comme une roue d'échappement coaxiale en nickel - phosphore à, par exemple, 12% de phosphore. En effet, les dépôts électrolytiques de ce type de pièce délaminent en cours de dépôt en raison des contraintes internes du nickel - phosphore déposé ce qui a pour conséquence un décollement au niveau de son interface avec le substrat.
Résumé de l'invention
[0004] Le but de la présente invention est de pallier tout ou partie les inconvénients cités précédemment en proposant un moule alternatif offrant au moins les mêmes précisions de fabrication et autorisant la fabrication de pièces à plusieurs niveaux et/ou à grand élancement.
[0005] A cet effet, l'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un moule comportant les étapes suivantes:
<tb>a)<sep>se munir d'un substrat comportant une couche supérieure et une couche inférieure en matériau micro-usinable électriquement conducteur et solidarisées entre elles par une couche intermédiaire électriquement isolante;
<tb>b)<sep>graver au moins un motif dans la couche supérieure (jusqu'à la couche intermédiaire afin de former au moins une cavité dudit moule;
<tb>c)<sep>recouvrir la partie supérieure dudit substrat d'un revêtement (30, 30) électriquement isolant;
<tb>d)<sep>graver de manière directionnelle ledit revêtement et ladite couche intermédiaire afin de limiter leur présence uniquement au niveau de chaque paroi verticale (31, 31, 33) formée dans ladite couche supérieure
[0006] Conformément à d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention:
un deuxième motif est gravé lors de l'étape b) afin de former au moins un évidement communiquant avec ladite au moins une cavité offrant à ladite couche supérieure un deuxième niveau;
une pièce est montée après l'étape d) afin de former au moins un évidement communiquant avec ladite au moins une cavité offrant audit moule un deuxième niveau;
le procédé comporte l'étape finale e): monter une tige dans ladite au moins une cavité afin de former un trou dans la future pièce réalisée dans ledit moule;
l'étape b) comporte les phases f): structurer au moins un masque de protection sur la couche conductrice supérieure, g): réaliser une attaque anisotropique de ladite couche supérieure selon les parties non recouvertes par ledit au moins un masque de protection et h):
retirer le masque de protection;
le procédé comporte, à la suite des étapes précédentes, les étapes a'): déposer un matériau électriquement conducteur dans le fond de ladite au moins une cavité, b'): graver un motif dans la couche inférieure jusqu'au dépôt dudit matériau conducteur afin de former au moins une cavité dudit moule et c'): recouvrir l'ensemble d'un deuxième revêtement électriquement isolant;
le procédé comporte, à la suite de l'étape c'), l'étape d'):
graver de manière directionnelle ledit deuxième revêtement afin de limiter sa présence uniquement au niveau de chaque paroi verticale formée dans ladite couche inférieure;
qu'un deuxième motif est gravé lors de l'étape b') afin de former au moins un évidement communiquant avec ladite au moins une cavité offrant à ladite couche inférieure un deuxième niveau;
une pièce est montée après l'étape d') afin de former au moins un évidement communiquant avec ladite au moins une cavité offrant audit moule un deuxième niveau;
le procédé comporte l'étape finale e'): monter une tige dans ladite au moins une cavité de la couche inférieure afin de former un trou dans la future pièce réalisée dans ledit moule;
l'étape b') comporte les phases f): structurer au moins un masque de protection sur la couche conductrice supérieure, g'):
réaliser une attaque anisotropique de ladite couche supérieure selon les parties non recouvertes par ledit au moins un masque de protection et h'): retirer le masque de protection;
plusieurs moules sont fabriqués sur le même substrat;
les couches conductrices comportent un matériau à base de silicium dopé.
[0007] L'invention se rapporte également à un procédé de fabrication par galvanoplastie d'une pièce de micromécanique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes:
<tb>i)<sep>fabriquer un moule selon le procédé conforme à l'une des variantes précédentes;
<tb>j)<sep>réaliser une électrodéposition en connectant l'électrode à la couche conductrice inférieure du substrat afin de former ladite pièce dans ledit moule;
<tb>k)<sep>libérer la pièce dudit moule.
[0008] Enfin, l'invention se rapporte à un moule destiné à fabriquer une pièce de micromécanique par galvanoplastie, caractérisé en ce qu'il comporte un substrat comportant une couche supérieure et une couche inférieure électriquement conductrices solidarisées entre elle par une couche intermédiaire électriquement isolante, la couche supérieure comportant au moins une cavité découvrant une partie de la couche inférieure dudit substrat et comportant des parois électriquement isolantes permettant de faire croître un dépôt électrolytique dans ladite au moins une cavité.
[0009] Conformément à d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention:
la couche supérieure comporte en outre au moins un évidement situé communiquant avec ladite au moins une cavité et comportant des parois électriquement isolantes permettant de continuer le dépôt électrolytique dans ledit au moins un évidement après avoir rempli ladite au moins une cavité;
que la couche inférieure comporte au moins une cavité découvrant une partie de couche électriquement conductrice dudit substrat et comportant des parois électriquement isolantes permettant de faire croître un dépôt électrolytique dans ladite au moins une cavité de la couche inférieure;
la couche inférieure comporte en outre au moins un évidement situé communiquant avec ladite au moins une cavité de la couche inférieure et comportant des parois électriquement isolantes permettant de continuer le dépôt électrolytique dans ledit au moins un évidement après avoir rempli ladite au moins une cavité de la couche inférieure.
Description sommaire des dessins
[0010] D'autres particularités et avantages ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels:
<tb>les fig. 1 à 7<sep>sont des représentations des étapes successives d'un procédé de fabrication d'une pièce de micromécanique selon un premier mode de réalisation de l'invention;
<tb>les fig. 8 à 12<sep>sont des représentations des étapes successives d'un procédé de fabrication d'une pièce de micromécanique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention;
<tb>la fig. 13<sep>est un schéma fonctionnel d'un procédé de fabrication d'une pièce de micromécanique selon l'invention;
<tb>les fig. 14 à 19<sep>sont des représentations des étapes successives d'un procédé de fabrication d'une pièce de micromécanique selon une variante de l'invention.
Description détaillée des modes de réalisation préférés
[0011] Comme visible à la fig. 13, l'invention se rapporte à un procédé de fabrication 1 d'une pièce de micromécanique 41, 41, 41 par galvanoplastie. Le procédé 1 comporte, préférentiellement, un procédé de fabrication 3 d'un moule 39, 39, 39 suivi des étapes de galvanoplastie 5 et de libération 7 de la pièce 41, 41', 41 dudit moule.
[0012] Le procédé de fabrication 3 du moule comporte des étapes successives destinées à fabriquer un moule 39, 39, 39 comportant, préférentiellement, des matériaux à base de silicium.
[0013] Une première étape 10 du procédé 3 consiste à se munir d'un substrat 9, 9 comportant une couche supérieure 21, 21 et une couche inférieure 23, 23, en matériaux micro-usinables électriquement conducteurs, solidarisées entre elles par une couche intermédiaire 22, 22 électriquement isolante comme illustré aux fig. 1 et 8.
[0014] Préférentiellement, le substrat 9, 9 est un S.O.I. (abréviation très connue provenant des termes anglais "Silicon On Isulator"). De plus, les couches supérieure 21, 21 et inférieure 23, 23 sont en silicium cristallin suffisamment dopé afin d'être électriquement conductrices et la couche intermédiaire en dioxyde de silicium.
[0015] Selon l'invention, le procédé 3 comporte deux modes de réalisation distincts à partir de l'étape 11 respectivement représenté par un trait triple et un trait simple à la fig. 13.
[0016] Selon un premier mode de réalisation, lors de la deuxième étape 11, un masque 15 puis un masque 24 de protection sont structurés sur la couche conductrice supérieure 21 comme illustré à la fig. 2. Comme visible également à la fig. 2, le masque 15 comporte au moins un motif 27 qui ne recouvre pas la couche supérieure 21. De plus, préférentiellement, le masque 24, qui recouvre totalement le masque 15, comporte au moins un motif 26 qui ne recouvre pas la couche supérieure 21.
[0017] A titre d'exemple, le masque 15 peut être réalisé par dépôt d'une couche d'oxyde de silicium afin de former ledit masque jusqu'à une hauteur prédéterminée. Ensuite, le masque 24 peut, par exemple, être obtenu par photolithographie à l'aide d'une résine photosensible en recouvrement du masque 15.
[0018] Selon le premier mode de réalisation visible en trait triple à la fig. 13, dans une troisième étape 2, la couche supérieure 21 est gravée jusqu'à découvrir la couche intermédiaire 22. Selon l'invention, l'étape 2 de gravage comporte, de manière préférée, une attaque sèche anisotropique du type gravage ionique réactif profond (DRIE provenant des termes anglais "Deep Reactive Ion Etching").
[0019] Dans un premier temps de l'étape 2, on effectue une attaque anisotropique dans la couche supérieure 21 selon le motif 26 du masque 24. Cette attaque permet de commencer la gravure d'au moins une cavité 25 dans la couche supérieure 21 sur une partie de son épaisseur. Dans un deuxième temps, on retire le masque 24 puis on effectue une deuxième attaque anisotropique selon le motif 27 du masque 15 encore présent sur la couche supérieure 21. La deuxième attaque permet de continuer la gravure de ladite au moins une cavité 25 mais également de commencer la gravure d'au moins un évidement 28 qui communique avec ladite au moins une cavité 25 tout en étant de plus grande section.
[0020] Dans une quatrième étape 4, le masque 15 est retiré. Ainsi, comme visible à la figure 3, à la fin de la quatrième étape 4, la couche supérieure 21 est gravée sur toute son épaisseur de ladite au moins une cavité 25 et sur une partie supérieure de son épaisseur dudit au moins un évidement 28.
[0021] Dans une cinquième étape 6, un revêtement 30 électriquement isolant est déposé en recouvrant l'ensemble supérieur du substrat 9 comme illustré à la fig. 4. Préférentiellement, le revêtement 30 est obtenu par oxydation du dessus de la couche supérieure 21 gravée et de la couche intermédiaire 22.
[0022] Selon une sixième étape 8, un gravage directionnel du revêtement 30 et de la couche intermédiaire 22 est réalisé. L'étape 8 est destinée à limiter la présence de couches isolantes uniquement au niveau de chaque paroi verticale formée dans la couche supérieure 21, c'est-à-dire les parois 31 et 32 respectivement de ladite au moins une cavité 25 et dudit au moins un évidement 28. En réalisant cette étape 8 et comme illustré à la fig. 5, on comprend que le fond de la cavité 25 découvre la couche inférieure 23 électriquement conductrice et que le fond de l'évidement 28 découvre la couche supérieure 21 également conductrice.
[0023] Afin d'améliorer l'accrochage de la future galvanoplastie, une couche d'accrochage sur le fond de chaque cavité 25 et/ou sur le fond de chaque évidement 28 peut être prévue. La couche d'accrochage pourrait alors consister en un métal comme de l'alliage CrAu.
[0024] Préférentiellement, lors de la sixième étape 8, comme illustré à la fig. 5, une tige 29 est montée afin de former directement le trou 42 d'axe de la pièce 41 de micromécanique lors de l'étape 5 de galvanoplastie. Cela présente l'avantage non seulement de ne pas à avoir à usiner la pièce 41 une fois la galvanoplastie terminée mais également de pouvoir réaliser n'importe quelle forme de section intérieure, de manière uniforme ou non, sur toute la hauteur du trou 42. Préférentiellement, la tige 29 est obtenue, par exemple, à l'aide d'un procédé de photolithographie d'une résine photosensible.
[0025] Dans le premier mode de réalisation, à la suite de l'étape 8, le procédé de fabrication 3 du moule 39 est terminé et le procédé de fabrication 1 de la pièce de micromécanique se poursuit par les étapes de galvanoplastie 5 et de libération 7 de la pièce 41 du moule 39.
[0026] L'étape 5 de galvanoplastie est réalisée en connectant l'électrode de dépôt à la couche inférieure 23 du moule 39 afin de faire croître dans un premier temps un dépôt électrolytique dans la cavité 25 dudit moule puis, seulement dans un deuxième temps, dans l'évidement 28 comme illustré à la fig. 6.
[0027] En effet, avantageusement selon l'invention, lorsque le dépôt électrolytique affleure de la partie supérieure de la cavité 25, il connecte électriquement la couche supérieure 21 par, éventuellement sa couche d'accrochage, ce qui permet la continuation de la croissance du dépôt sur l'ensemble de l'évidement 28. Avantageusement, l'invention permet la réalisation de pièces 41 à grand élancement, c'est-à-dire quand la section de la cavité 25 est beaucoup plus petite que celle de l'évidement 28, en évitant les problèmes de décollement même avec un matériau en nickel -phosphore à, par exemple, 12% de phosphore.
[0028] En effet, grâce à l'utilisation du silicium comme couches conductrices 21, 23, et éventuellement leur couche d'accrochage, les phénomènes de délamination aux interfaces sont diminués ce qui évite les décollements induits par les contraintes internes du matériau électrodéposé.
[0029] Selon le premier mode de réalisation, le procédé de fabrication 1 se termine par l'étape 7, dans laquelle la pièce 41 formée dans la cavité 25 puis dans l'évidement 28 est libérée du moule 39. L'étape 7 de libération peut, par exemple, être effectuée par gravure des couches 23 et 21. Selon ce premier mode de réalisation, on comprend comme illustré à la fig. 7 que la pièce de micromécanique 41 obtenue comporte deux niveaux 43, 45 de forme différente chacun selon une épaisseur parfaitement indépendante et comportant un unique trou d'axe 42.
[0030] Une telle pièce de micromécanique 41 pourrait, par exemple, être une roue d'échappement coaxiale ou un ensemble roue d'échappement 43 - pignon 45 comportant une précision géométrique de l'ordre du micromètre mais également un référencement idéal c'est-à-dire un positionnement parfait entre lesdits niveaux.
[0031] Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, le procédé 3 comporte une deuxième étape 11, consistant à structurer au moins un masque 24 de protection sur la couche conductrice supérieure 21 comme illustré à la fig. 8. Comme visible également à la fig. 8, le masque 24 comporte au moins un motif 26 qui ne recouvre pas la couche supérieure 21. Un tel masque 24 peut, par exemple, être obtenu par photolithographie à l'aide d'une résine photosensible.
[0032] Dans une troisième étape 12, la couche supérieure 21 est gravée jusqu'à découvrir la couche intermédiaire 22. Selon l'invention, l'étape 12 de gravage comporte, de manière préférée, une attaque sèche anisotropique du type gravage ionique réactif profond (DRIE). L'attaque anisotropique est effectuée dans la couche supérieure 21 selon le motif 26 du masque 24.
[0033] Dans une quatrième étape 14, le masque 24 est retiré. Ainsi, comme visible à la fig. 9, à la fin de la quatrième étape 14, la couche supérieure 21 est gravée sur toute son épaisseur d'au moins une cavité 25.
[0034] Dans une cinquième étape 16, un revêtement 30 électriquement isolant est déposé en recouvrant l'ensemble supérieur du substrat 9 comme illustré à la fig. 10. Préférentiellement, le revêtement 30 est obtenu par oxydation du dessus de la couche supérieure 21 gravée et de la couche intermédiaire 22.
[0035] Selon une sixième étape 18, un gravage directionnel du revêtement 30 et de la couche intermédiaire 22 est réalisé. L'étape 18 est destinée à limiter la présence de couches isolantes uniquement au niveau de chaque paroi verticale formée dans la couche supérieure 21, c'est-à-dire les parois 31 de ladite au moins une cavité 25. En réalisant cette étape 18 et comme illustré à la fig. 11, on comprend que le fond de la cavité 25 découvre la couche inférieure 23 électriquement conductrice et le dessus de la couche supérieure 21 également conductrice.
[0036] Comme dans le premier mode de réalisation, afin d'améliorer l'accrochage de la future galvanoplastie, une couche d'accrochage sur le fond de chaque cavité 25 et/ou sur le dessus de la couche supérieure 21 peut être prévue. La couche d'accrochage pourrait alors consister en un métal comme de l'alliage CrAu.
[0037] Lors de la sixième étape 18, comme expliqué pour le premier mode de réalisation des fig. 1à 7, une tige peut être montée afin de former directement le trou d'axe de la pièce de micromécanique lors de l'étape 5 de galvanoplastie avec les mêmes avantages que cités précédemment.
[0038] Dans le deuxième mode de réalisation, à la suite de l'étape 18, le procédé de fabrication 3 du moule 39 est terminé et le procédé de fabrication 1 de la pièce de micromécanique se poursuit par les étapes de galvanoplastie 5 et de libération 7 de la pièce du moule 39.
[0039] L'étape 5 de galvanoplastie est réalisée en connectant l'électrode de dépôt à la couche inférieure 23 du moule 39 afin de faire croître un dépôt électrolytique dans la cavité 25 du moule 39.
[0040] Selon le deuxième mode de réalisation, le procédé de fabrication 1 se termine par l'étape 7 similaire à celle expliquée dans le premier mode de réalisation, dans laquelle la pièce formée dans la cavité 25 est libérée du moule 39. Selon ce deuxième mode de réalisation, on comprend que la pièce de micromécanique obtenue comporte un seul niveau de forme identique selon toute son épaisseur et pouvant comporter un trou d'axe.
[0041] Une telle pièce de micromécanique pourrait, par exemple, être une roue d'échappement ou une ancre d'échappement ou même un pignon comportant une précision géométrique de l'ordre du micromètre.
[0042] Selon une alternative à ce deuxième mode de réalisation illustré par un trait double à la fig. 13, à la suite de l'étape 18, le procédé de fabrication 3 du moule 39 comporte une étape supplémentaire 20 destinée à former au moins un deuxième niveau au moule 39 comme illustré à la fig. 12. Ainsi, le deuxième niveau est réalisé en montant une pièce 27, comportant des parois 32 électriquement isolantes, sur la couche supérieure 21 qui n'a pas été retirée lors de l'étape 12.
[0043] Préférentiellement, la pièce 27 ajoutée forme au moins un évidement 28 de section plus grande que les parties retirées 26, par exemple, à l'aide d'un procédé de photolithographie d'une résine photosensible. Cependant, la pièce 27 pourrait également comporter un matériau à base de silicium préalablement gravé puis être solidarisée sur la couche conductrice 21.
[0044] Par conséquent, selon l'alternative du deuxième mode de réalisation, à la suite de l'étape 20, le procédé de fabrication 3 du moule 39 est terminé et le procédé de fabrication 1 de la pièce de micromécanique se poursuit par les étapes de galvanoplastie 5 et de libération 7 de la pièce 41 du moule 39.
[0045] L'étape 5 de galvanoplastie est réalisée en connectant l'électrode de dépôt à la couche inférieure 23 du moule 39 afin de faire croître dans un premier temps un dépôt électrolytique dans la cavité 25 dudit moule puis, seulement dans un deuxième temps, dans l'évidement 28 comme illustré à la fig. 12.
[0046] En effet, avantageusement selon l'invention, lorsque le dépôt électrolytique affleure de la partie supérieure de la cavité 25, il connecte électriquement la couche supérieure 21 par, éventuellement, sa couche d'accrochage, ce qui permet la continuation de la croissance du dépôt sur l'ensemble de l'évidement 28. Avantageusement, l'invention permet la réalisation de pièces 41 à grand élancement, c'est-à-dire quand la section de la cavité 25 est beaucoup plus petite que celle de l'évidement 28, en évitant les problèmes de décollement même avec un matériau en nickel -phosphore à, par exemple, 12% de phosphore.
[0047] En effet, grâce à l'utilisation du silicium comme couches conductrices 21, 23, et éventuellement leur couche d'accrochage les phénomènes de délamination aux interfaces sont diminués ce qui évite les décollements induits par les contraintes internes du matériau électrodé posé.
[0048] Selon l'alternative du deuxième mode de réalisation, le procédé de fabrication 1 se termine par l'étape 7 similaire à celle expliquée dans le premier mode de réalisation, dans laquelle la pièce 41 formée dans le moule 39 est libérée. On comprend comme illustré à la fig. 12que la pièce de micromécanique 41 obtenue comporte deux niveaux de forme différente chacun selon une épaisseur parfaitement indépendante et pouvant comporter un unique trou d'axe. Une telle pièce de micromécanique 41 peut par conséquent avoir la même forme que celle 41 obtenue grâce au premier mode de réalisation et ainsi comporter une précision géométrique de l'ordre du micromètre mais également un référencement idéal c'est-à-dire un positionnement parfait entre lesdits niveaux.
[0049] Selon une variante (illustrée en traits doubles discontinus à la fig. 13) aux deux modes de réalisation du procédé 1 visible aux fig. 14 à 19, il est possible d'appliquer le procédé 3 également à la couche inférieure 23, 23 afin de rajouter un ou deux autres niveaux au moule 39, 39. Afin de ne pas surcharger les figures, un seul exemple est détaillé ci-dessus mais on comprendre que la couche inférieure 23, 23 peut également être transformée selon le premier mode de réalisation ou le deuxième mode de réalisation avec son alternative ou non expliqués ci-dessus.
[0050] La variante reste identique au procédé 1 décrit ci-dessus jusqu'à l'étape 8, 18 ou 20 suivant le mode de réalisation utilisé. Dans l'exemple illustré aux fig. 14à 19, on prendra comme point de départ du procédé 1, l'exemple du premier mode de réalisation comme illustré à la fig. 13 en trait triple.
[0051] Préférentiellement selon cette variante, la couche inférieure 23 est destinée à être gravée afin de former au moins une deuxième cavité 35 dans le moule 39. Comme visible, de manière préférée entre la fig. 5et la fig. 14, un dépôt 33 a été réalisé dans une partie de la première cavité 25 afin de fournir une couche de départ de galvanoplastie. Préférentiellement, ce dépôt 33 est effectué en commençant l'étape 5 jusqu'à une épaisseur prédéterminée. Cependant, ce dépôt peut être effectué selon un autre procédé.
[0052] Comme illustré par des traits double discontinus à la fig. 13 et les fig. 14 à 19, la variante du procédé 1 applique à la couche inférieure 23, les étapes 11, 12, 14, 16 et 18 du deuxième mode de réalisation du procédé 3.
[0053] Ainsi selon la variante, le procédé 3 comporte une nouvelle étape 11, consistant à structurer au moins un masque 34 sur la couche conductrice inférieure 23 comme illustré à la fig. 15. Comme visible également à la fig. 15, le masque 34 comporte au moins un motif 36 qui ne recouvre pas la couche inférieure 23. Un tel masque 34 peut, par exemple, être obtenu par photolithographie à l'aide d'une résine photosensible.
[0054] Ensuite, à la nouvelle étape 12, la couche 23 est gravée selon le motif 36 jusqu'à découvrir le dépôt 33 électriquement conducteur. Puis le masque de protection 34 est retiré lors d'une nouvelle étape 14. Ainsi, comme visible à la fig. 16, à la fin de l'étape 14, la couche inférieure 23 est gravée sur toute son épaisseur d'au moins une cavité 35.
[0055] Dans une nouvelle étape 16, un revêtement 38 électriquement isolant est déposé en recouvrant l'ensemble inférieur du substrat 9 comme illustré à la fig. 17. Préférentiellement, le revêtement 38 est obtenu par dépôt d'un oxyde de silicium sur le dessus de la couche inférieure 23, par exemple, à l'aide d'un dépôt physique en phase vapeur.
[0056] Préférentiellement une nouvelle étape 18 n'est pas nécessaire si un seul niveau est ajouté au moule 39. Sinon, un gravage directionnel du revêtement 38 est réalisé. La nouvelle étape 18 serait destinée à limiter la présence de couche isolante uniquement au niveau de chaque paroi verticale 39 formée dans la couche inférieure 23, c'est-à-dire les parois de ladite au moins une cavité 35. Dans notre exemple des fig. 14 à 19, une nouvelle étape 18 n'est effectuée que pour enlever la couche d'oxyde présente dans le fond de ladite au moins une cavité 35.
[0057] Lors de la nouvelle étape 18, comme expliqué précédemment, une tige 37 peut être montée afin de former directement le trou 42 d'axe de la pièce de micromécanique 41 lors de l'étape 5 de galvanoplastie avec les mêmes avantages que cités précédemment.
[0058] Dans la variante du procédé 1, à la suite de l'étape 18, le procédé de fabrication 3 du moule 39 est terminé et le procédé de fabrication 1 de la pièce de micromécanique se poursuit par les étapes de galvanoplastie 5 et de libération 7 de la pièce 41 du moule 39. Préférentiellement, si les tiges 29 et 37 sont formées respectivement dans les cavités 25 et 35, elles sont alignées. Préférentiellement, la tige 37 est obtenue, par exemple, à l'aide d'un procédé de photolithographie d'une résine photosensible.
[0059] A la suite des nouvelles étapes 8, 18 ou 20, l'étape 5 de galvanoplastie est réalisée en connectant l'électrode de dépôt à la couche inférieure 23 afin de faire croître un dépôt électrolytique dans la cavité 35 mais également continuer la croissance du dépôt dans la cavité 25, puis, seulement dans un deuxième temps, dans l'évidement 28 comme illustré à la fig. 18. Le procédé de fabrication 1 se termine par l'étape 7, dans laquelle la pièce 41 est libérée du moule 39 comme expliqué ci-dessus.
[0060] Selon cette variante, on comprend comme illustré à la fig. 19 que la pièce de micromécanique 41 obtenue comporte au moins trois niveaux 43, 45 et 47 de forme différente chacun selon une épaisseur parfaitement indépendante avec un trou d'axe unique 42.
[0061] Une telle pièce de micromécanique pourrait, par exemple, être une roue d'échappement coaxiale 43, 45 avec son pignon 47 ou un mobile à trois niveaux de dentures 43, 45, 47 comportant une précision géométrique de l'ordre du micromètre mais également un référencement idéal c'est-à-dire un positionnement parfait entre lesdits niveaux.
[0062] Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à l'exemple illustré mais est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. Ainsi, plusieurs moules 39, 39, 39 sont fabriqués sur le même substrat 9, 9, 9 afin de réaliser une production en série de pièces de micromécanique 41, 41, 41 qui ne sont pas forcément identiques entre elles. De même, on peut également envisager changer des matériaux à base de silicium par de l'alumine cristallisée ou de la silice cristallisée ou carbure de silicium.
Field of the invention
The invention relates to a mold for manufacturing a micromechanical piece by electroplating and its manufacturing process.
Background of the invention
The electroplating is used and known for a long time. LIGA-type processes (a very well-known abbreviation from German ("röntgen Lithographie, Galvanoformung & Abformung") are more recent, consisting in forming a mold by photolithography of a photosensitive resin and then electroplating a The precision of such LIGA processes is much better than that of a conventional mold obtained, for example, by machining, such accuracies thus permitting the manufacture of micromechanical parts, especially for watch movements which were previously unthinkable. .
However, such methods are not suitable for micromechanical parts with great slenderness as a nickel-phosphorus coaxial escapement wheel with, for example, 12% phosphorus. In fact, the electrolytic deposits of this type of part delaminate during deposition because of the internal stresses of the deposited nickel - phosphor, which results in detachment at its interface with the substrate.
Summary of the invention
The object of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages mentioned above by providing an alternative mold providing at least the same manufacturing precisions and allowing the manufacture of multi-level parts and / or large slenderness.
For this purpose, the invention relates to a method of manufacturing a mold comprising the following steps:
<tb> a) <sep> provide a substrate comprising an upper layer and a lower layer of electrically conductive micro-machinable material and secured together by an electrically insulating intermediate layer;
<tb> b) <sep> etching at least one pattern in the upper layer (to the intermediate layer to form at least one cavity of said mold;
<tb> c) <sep> covering the upper portion of said substrate with an electrically insulating coating (30, 30);
<tb> d) <sep> directionally etching said coating and said intermediate layer to limit their presence only at each vertical wall (31, 31, 33) formed in said top layer
According to other advantageous features of the invention:
a second pattern is etched in step b) to form at least one recess communicating with said at least one cavity providing said upper layer a second level;
a part is mounted after step d) to form at least one recess communicating with said at least one cavity providing said mold a second level;
the method comprises the final step e): mounting a rod in said at least one cavity to form a hole in the future part made in said mold;
step b) comprises the phases f): structuring at least one protective mask on the upper conductive layer, g): anisotropic etching of said upper layer according to the parts not covered by said at least one protective mask and h ):
remove the protective mask;
the method comprises, following the preceding steps, the steps a '): depositing an electrically conductive material in the bottom of said at least one cavity, b'): etching a pattern in the lower layer until the deposition of said conductive material in order to form at least one cavity of said mold and c '): to cover the assembly with a second electrically insulating coating;
the method comprises, following step c '), the step d'):
directionally etching said second coating to limit its presence only at each vertical wall formed in said lower layer;
a second pattern is etched in step b ') to form at least one recess communicating with said at least one cavity providing said lower layer a second level;
a piece is mounted after step d ') to form at least one recess communicating with said at least one cavity providing said mold a second level;
the method comprises the final step e '): mounting a rod in said at least one cavity of the lower layer to form a hole in the future part made in said mold;
step b ') comprises the phases f): structuring at least one protective mask on the upper conductive layer, g'):
anisotropic etching of said upper layer according to the parts not covered by said at least one protective mask and h '): removing the protective mask;
several molds are made on the same substrate;
the conductive layers comprise a doped silicon-based material.
The invention also relates to a method of manufacturing by electroplating a micromechanical component, characterized in that it comprises the following steps:
<tb> i) <sep> manufacture a mold according to the method according to one of the preceding variants;
<tb> j) <sep> electroplating by connecting the electrode to the lower conductive layer of the substrate to form said part in said mold;
<tb> k) <sep> release the piece of said mold.
Finally, the invention relates to a mold for manufacturing a micromechanical part by electroplating, characterized in that it comprises a substrate comprising an upper layer and an electrically conductive lower layer secured to one another by an electrically interposed layer. isolating, the upper layer having at least one cavity uncovering a portion of the lower layer of said substrate and having electrically insulating walls for growing an electrolytic deposition in said at least one cavity.
According to other advantageous features of the invention:
the upper layer further comprises at least one recess located communicating with said at least one cavity and having electrically insulating walls for continuing the electrolytic deposition in said at least one recess after filling said at least one cavity;
that the lower layer comprises at least one cavity revealing an electrically conductive layer portion of said substrate and having electrically insulating walls for growing an electrolytic deposit in said at least one cavity of the lower layer;
the lower layer further comprises at least one recess located communicating with said at least one cavity of the lower layer and having electrically insulating walls for continuing the electrolytic deposition in said at least one recess after filling said at least one cavity of the lower layer.
Brief description of the drawings
Other features and advantages will become apparent from the description which is given below, for information only and not limiting, with reference to the accompanying drawings, in which:
<tb> figs. 1 to 7 <sep> are representations of the successive steps of a method of manufacturing a micromechanical part according to a first embodiment of the invention;
<tb> figs. 8 to 12 <sep> are representations of the successive steps of a method of manufacturing a micromechanical component according to a second embodiment of the invention;
<tb> fig. 13 <sep> is a block diagram of a method of manufacturing a micromechanical component according to the invention;
<tb> figs. 14 to 19 <sep> are representations of the successive steps of a method of manufacturing a micromechanical component according to a variant of the invention.
Detailed Description of the Preferred Embodiments
As shown in FIG. 13, the invention relates to a method of manufacturing 1 a micromechanical part 41, 41, 41 by electroplating. The method 1 preferably comprises a method of manufacturing a mold 39, 39, 39 followed by electroplating and releasing steps 7 of the part 41, 41 ', 41 of said mold.
The manufacturing method 3 of the mold comprises successive steps for manufacturing a mold 39, 39, 39 preferably comprising silicon-based materials.
A first step 10 of the method 3 consists in providing a substrate 9, 9 comprising an upper layer 21, 21 and a lower layer 23, 23 made of electrically conductive micro-machining materials secured to one another by a layer intermediate 22, 22 electrically insulating as illustrated in FIGS. 1 and 8.
Preferably, the substrate 9, 9 is a S.O.I. (Well known abbreviation from the English terms "Silicon On Isulator"). In addition, the upper layers 21, 21 and lower 23, 23 are sufficiently doped crystalline silicon to be electrically conductive and the intermediate layer of silicon dioxide.
According to the invention, the method 3 comprises two distinct embodiments from step 11 respectively represented by a triple line and a single line in FIG. 13.
According to a first embodiment, during the second step 11, a mask 15 and a protective mask 24 are structured on the upper conductive layer 21 as shown in FIG. 2. As also visible in fig. 2, the mask 15 comprises at least one pattern 27 which does not cover the upper layer 21. In addition, preferably, the mask 24, which completely covers the mask 15, comprises at least one pattern 26 which does not cover the upper layer 21 .
For example, the mask 15 may be made by depositing a silicon oxide layer to form said mask to a predetermined height. Then, the mask 24 may, for example, be obtained by photolithography using a photoresist covering the mask 15.
According to the first embodiment visible in triple line in FIG. 13, in a third step 2, the upper layer 21 is etched until the intermediate layer 22 is discovered. According to the invention, the etching step 2 preferably comprises an anisotropic dry etching of the deep reactive ion etching type. (DRIE from the English term "Deep Reactive Ion Etching").
In a first step of step 2, an anisotropic etching is carried out in the upper layer 21 according to the pattern 26 of the mask 24. This etching makes it possible to begin etching at least one cavity 25 in the upper layer 21. on part of its thickness. In a second step, the mask 24 is removed and then a second anisotropic etching is carried out according to the pattern 27 of the mask 15 still present on the upper layer 21. The second attack makes it possible to continue the etching of said at least one cavity 25, but also of begin etching at least one recess 28 which communicates with said at least one cavity 25 while being of larger section.
In a fourth step 4, the mask 15 is removed. Thus, as can be seen in FIG. 3, at the end of the fourth step 4, the upper layer 21 is etched throughout its thickness of said at least one cavity 25 and on an upper part of its thickness of said at least one recess 28.
In a fifth step 6, an electrically insulating coating 30 is deposited by covering the upper assembly of the substrate 9 as illustrated in FIG. 4. Preferably, the coating 30 is obtained by oxidation of the top of the etched upper layer 21 and the intermediate layer 22.
According to a sixth step 8, a directional etching of the coating 30 and the intermediate layer 22 is produced. Step 8 is intended to limit the presence of insulating layers only at each vertical wall formed in the upper layer 21, that is to say the walls 31 and 32 respectively of said at least one cavity 25 and said minus one recess 28. By performing this step 8 and as illustrated in FIG. 5, it is understood that the bottom of the cavity 25 discovers the lower layer 23 electrically conductive and that the bottom of the recess 28 discovers the upper layer 21 also conductive.
To improve the attachment of the future electroplating, an attachment layer on the bottom of each cavity 25 and / or the bottom of each recess 28 may be provided. The bonding layer could then consist of a metal such as CrAu alloy.
Preferably, during the sixth step 8, as illustrated in FIG. 5, a rod 29 is mounted to directly form the axis hole 42 of the micromechanical part 41 during the electroplating step 5. This has the advantage not only of not having to machine part 41 after electroplating is completed but also to be able to make any shape of inner section, uniformly or otherwise, over the entire height of hole 42. Preferably, the rod 29 is obtained, for example, using a photolithography process of a photosensitive resin.
In the first embodiment, following step 8, the manufacturing method 3 of the mold 39 is completed and the manufacturing process 1 of the micromechanical part continues with the electroplating steps 5 and 5. release 7 of the piece 41 of the mold 39.
Step 5 of electroplating is performed by connecting the deposition electrode to the lower layer 23 of the mold 39 to initially grow an electrolytic deposit in the cavity 25 of said mold and then only in a second step in the recess 28 as illustrated in FIG. 6.
Indeed, advantageously according to the invention, when the electrolytic deposition is flush with the upper part of the cavity 25, it electrically connects the upper layer 21 by, optionally its attachment layer, which allows the continuation of growth. Deposition on the entire recess 28. Advantageously, the invention allows the realization of parts 41 with great slenderness, that is to say when the section of the cavity 25 is much smaller than that of the recess 28, avoiding the problems of delamination even with nickel-phosphorus material at, for example, 12% phosphorus.
Indeed, thanks to the use of silicon as conductive layers 21, 23, and possibly their attachment layer, the delamination phenomena at the interfaces are reduced which avoids the detachments induced by the internal stresses of the electrodeposited material.
According to the first embodiment, the manufacturing method 1 ends with step 7, in which the piece 41 formed in the cavity 25 and then in the recess 28 is released from the mold 39. Step 7 of Release may, for example, be performed by etching layers 23 and 21. According to this first embodiment, it is understood as illustrated in FIG. 7 that the micromechanical part 41 obtained has two levels 43, 45 of different shape each in a perfectly independent thickness and having a single pinhole 42.
Such a micromechanical part 41 could, for example, be a coaxial escapement wheel or an exhaust wheel assembly 43 - pinion 45 having a geometric precision of the order of one micrometer but also an ideal referencing it is to say a perfect positioning between said levels.
According to a second embodiment of the invention, the method 3 comprises a second step 11, consisting of structuring at least one mask 24 of protection on the upper conductive layer 21 as shown in FIG. 8. As can also be seen in fig. 8, the mask 24 comprises at least one pattern 26 which does not cover the upper layer 21. Such a mask 24 may, for example, be obtained by photolithography using a photoresist.
In a third step 12, the upper layer 21 is etched until the intermediate layer 22 is discovered. According to the invention, the etching step 12 preferably comprises an anisotropic dry etching of the reactive ion etching type. deep (DRIE). The anisotropic etching is carried out in the upper layer 21 according to the pattern 26 of the mask 24.
In a fourth step 14, the mask 24 is removed. Thus, as shown in FIG. 9, at the end of the fourth step 14, the upper layer 21 is etched throughout its thickness of at least one cavity 25.
In a fifth step 16, an electrically insulating coating 30 is deposited by covering the upper assembly of the substrate 9 as illustrated in FIG. 10. Preferably, the coating 30 is obtained by oxidation of the top of the etched upper layer 21 and the intermediate layer 22.
According to a sixth step 18, a directional etching of the coating 30 and the intermediate layer 22 is produced. Step 18 is intended to limit the presence of insulating layers only at each vertical wall formed in the upper layer 21, that is to say the walls 31 of said at least one cavity 25. By performing this step 18 and as illustrated in FIG. 11, it is understood that the bottom of the cavity 25 discovers the lower layer 23 electrically conductive and the top of the upper layer 21 also conductive.
As in the first embodiment, to improve the attachment of the future electroplating, an attachment layer on the bottom of each cavity 25 and / or on top of the upper layer 21 may be provided. The bonding layer could then consist of a metal such as CrAu alloy.
In the sixth step 18, as explained for the first embodiment of FIGS. 1 to 7, a rod may be mounted to directly form the pinhole of the micromechanical part during electroplating step 5 with the same advantages as mentioned above.
In the second embodiment, following step 18, the manufacturing method 3 of the mold 39 is completed and the manufacturing process 1 of the micromechanical part continues with the steps of electroplating 5 and release 7 of the mold part 39.
Step 5 of electroplating is performed by connecting the deposition electrode to the lower layer 23 of the mold 39 in order to grow an electrolytic deposit in the cavity 25 of the mold 39.
According to the second embodiment, the manufacturing method 1 ends with step 7 similar to that explained in the first embodiment, in which the piece formed in the cavity 25 is released from the mold 39. second embodiment, it is understood that the micromechanical part obtained has a single level of identical shape over its entire thickness and may include an axis hole.
Such a micromechanical part could, for example, be an escape wheel or an escapement anchor or even a pinion having a geometric accuracy of the order of a micrometer.
According to an alternative to this second embodiment illustrated by a double line in FIG. 13, following step 18, the manufacturing method 3 of the mold 39 includes an additional step 20 to form at least a second level to the mold 39 as illustrated in FIG. 12. Thus, the second level is achieved by mounting a part 27, having electrically insulating walls 32, on the upper layer 21 which has not been removed in step 12.
Preferably, the added piece 27 forms at least one recess 28 of larger section than the removed portions 26, for example, using a photolithography process of a photosensitive resin. However, the piece 27 could also comprise a silicon-based material previously etched and then be secured to the conductive layer 21.
Therefore, according to the alternative of the second embodiment, following step 20, the manufacturing method 3 of the mold 39 is completed and the manufacturing process 1 of the micromechanical part continues with the steps of electroplating 5 and release 7 of the part 41 of the mold 39.
Step 5 of electroplating is performed by connecting the deposition electrode to the lower layer 23 of the mold 39 in order to initially grow an electrolytic deposit in the cavity 25 of said mold and then only in a second step in the recess 28 as illustrated in FIG. 12.
Indeed, advantageously according to the invention, when the electrolytic deposition is flush with the upper part of the cavity 25, it electrically connects the upper layer 21 by, optionally, its attachment layer, which allows the continuation of the 28. Advantageously, the invention allows the production of parts 41 with great slenderness, that is to say when the section of the cavity 25 is much smaller than that of the recess 28, avoiding peeling problems even with a nickel-phosphor material at, for example, 12% phosphorus.
Indeed, thanks to the use of silicon as conductive layers 21, 23, and possibly their attachment layer, the delamination phenomena at the interfaces are reduced which avoids the detachments induced by the internal stresses of the electrodeposited material.
According to the alternative of the second embodiment, the manufacturing method 1 ends with step 7 similar to that explained in the first embodiment, in which the part 41 formed in the mold 39 is released. It is understood as illustrated in FIG. 12que the micromechanical part 41 obtained has two levels of different shape each in a perfectly independent thickness and may include a single pinhole. Such a micromechanical part 41 can therefore have the same shape as that obtained by the first embodiment and thus include a geometrical precision of the order of a micrometer but also an ideal referencing, that is to say a perfect positioning. between said levels.
According to a variant (illustrated in broken double lines in Fig. 13) to the two embodiments of method 1 visible in Figs. 14 to 19, it is possible to apply the method 3 also to the lower layer 23, 23 in order to add one or two other levels to the mold 39, 39. In order not to overload the figures, a single example is detailed below. above but it is understood that the lower layer 23, 23 can also be converted according to the first embodiment or the second embodiment with its alternative or not explained above.
The variant remains identical to the method 1 described above until step 8, 18 or 20 according to the embodiment used. In the example illustrated in FIGS. 14 to 19, we will take as starting point of the method 1, the example of the first embodiment as illustrated in FIG. 13 in triple line.
Preferably according to this variant, the lower layer 23 is intended to be etched in order to form at least a second cavity 35 in the mold 39. As visible, preferably between FIG. 5 and fig. 14, a deposit 33 has been made in a portion of the first cavity 25 to provide an electroplating starting layer. Preferably, this deposit 33 is carried out starting from step 5 to a predetermined thickness. However, this deposit can be carried out according to another method.
As illustrated by double dashed lines in FIG. 13 and Figs. 14 to 19, the variant of the method 1 applies to the lower layer 23, the steps 11, 12, 14, 16 and 18 of the second embodiment of the method 3.
Thus according to the variant, the method 3 comprises a new step 11, consisting of structuring at least one mask 34 on the lower conductive layer 23 as illustrated in FIG. 15. As can also be seen in fig. 15, the mask 34 comprises at least one pattern 36 which does not cover the lower layer 23. Such a mask 34 may, for example, be obtained by photolithography using a photoresist.
Then, in the new step 12, the layer 23 is etched according to the pattern 36 to discover the electrically conductive deposit 33. Then the protective mask 34 is removed in a new step 14. Thus, as shown in FIG. 16, at the end of step 14, the lower layer 23 is etched throughout its thickness of at least one cavity 35.
In a new step 16, an electrically insulating coating 38 is deposited by covering the lower assembly of the substrate 9 as illustrated in FIG. 17. Preferably, the coating 38 is obtained by depositing a silicon oxide on the top of the lower layer 23, for example, using a physical vapor deposition.
Preferably a new step 18 is not necessary if only one level is added to the mold 39. Otherwise, a directional etching of the coating 38 is performed. The new step 18 would be intended to limit the presence of insulating layer only at each vertical wall 39 formed in the lower layer 23, that is to say the walls of said at least one cavity 35. In our example of figs . 14 to 19, a new step 18 is performed only to remove the oxide layer present in the bottom of said at least one cavity 35.
In the new step 18, as explained above, a rod 37 can be mounted to directly form the hole 42 of axis of the micromechanical part 41 during the electroplating step 5 with the same advantages as mentioned. previously.
In the variant of the method 1, following step 18, the manufacturing process 3 of the mold 39 is completed and the manufacturing process 1 of the micromechanical part continues with the electroplating steps 5 and release 7 of the piece 41 of the mold 39. Preferably, if the rods 29 and 37 are respectively formed in the cavities 25 and 35, they are aligned. Preferably, the rod 37 is obtained, for example, using a photolithography process of a photosensitive resin.
Following the new steps 8, 18 or 20, the electroplating step 5 is performed by connecting the deposition electrode to the lower layer 23 to grow an electrolytic deposit in the cavity 35 but also continue the growth of the deposit in the cavity 25, then, only in a second time, in the recess 28 as illustrated in FIG. 18. The manufacturing method 1 ends with step 7, in which the piece 41 is released from the mold 39 as explained above.
According to this variant, it is understood as illustrated in FIG. 19 that the micromechanical part 41 obtained comprises at least three levels 43, 45 and 47 of different shape each in a perfectly independent thickness with a single axis hole 42.
Such a micromechanical part could, for example, be a coaxial escape wheel 43, 45 with its pinion 47 or a mobile with three levels of teeth 43, 45, 47 having a geometric precision of the order of one micrometer but also an ideal referencing that is to say a perfect positioning between said levels.
Of course, the present invention is not limited to the example shown but is susceptible to various variations and modifications that will occur to those skilled in the art. Thus, several molds 39, 39, 39 are manufactured on the same substrate 9, 9, 9 in order to produce a series production of micromechanical parts 41, 41, 41 which are not necessarily identical to each other. Similarly, it is also possible to change silicon-based materials with crystalline alumina or crystalline silica or silicon carbide.