CH702576B1 - Pièce de micro-mécanique revêtue. - Google Patents

Abstract

La présente invention se rapporte à une pièce de micro-mécanique (101) comprenant une âme (103) fabriquée de silicium, dans laquelle la surface de l’âme (103) est au moins partiellement revêtue d’une première couche (105). La première couche (105) comprend du diamant. La pièce de micromécanique (101) comprend également une deuxième couche (201) sur la première couche (105), la deuxième couche (201) possédant des propriétés tribologiques complémentaires à celles de la première couche (105). La présente invention se rapporte également à un procédé de fabrication d’une telle pièce de micro-mécanique (101), notamment pour l’horlogerie.

Description

Domaine de l’invention

[0001] L’invention se rapporte à une pièce de micro-mécanique, telle qu’une pièce d’horlogerie, réalisée en silicium et ayant un revêtement. L’invention se rapporte également à un procédé de fabrication de ladite pièce de micromécanique.

État de la technique

[0002] Le silicium (de symbole Si) est un élément chimique de la famille des cristallogènes. C’est l’élément le plus abondant dans la croûte terrestre après l’oxygène. Il n’existe pas à l’état libre, mais sous forme de composés: sous forme de dioxyde de silicium (SiO2), la silice (dans le sable, le quartz, la cristobalite, etc.) ou d’autres silicates.

[0003] Le silicium présente à l’état pur des caractéristiques mécaniques élevées qui permettent de l’utiliser pour la réalisation de petites pièces destinées à certains micromécanismes et même à la fabrication de ressorts spiraux destinés à des montres mécaniques haut de gamme. Dans le contexte de la présente invention, par pièces en silicium on entend pièces gravées par procédé de gravure ionique réactive profonde (DRIE «deep reactive-ion etching»), notamment pour l’horlogerie, comme des ancres, des roues d’échappement ou tout autre composant.

[0004] Le silicium est un matériau de plus en plus utilisé dans la fabrication de pièces micro-mécaniques. Par rapport aux métaux ou alliages classiquement utilisés pour fabriquer des pièces de micro-mécaniques, telles que des pièces articulées, des roues dentées ou des ressorts, le silicium présente l’avantage d’avoir une densité 3 à 4 fois plus faible et donc de présenter une inertie très réduite, et d’être insensible aux champs magnétiques. Ces avantages sont particulièrement importants dans le domaine horloger, tant en ce qui concerne l’isochronisme que la durée de marche lorsque la source d’énergie est constituée par un ressort.

[0005] Le silicium a toutefois un désavantage d’être sensible aux chocs, qui peuvent être nécessaires lors de l’assemblage, inévitables lors du fonctionnement, ou fortuits lors de l’usage, si par exemple l’usager laisse tomber sa montre-bracelet. Pour surmonter les faiblesses du silicium, on connaît des solutions où les pièces en silicium sont au moins partiellement revêtues de diamant. La fabrication de pièces en silicium recouvertes de diamant apporte rigidité et résistance mécanique au silicium. Par diamant on entend un dépôt d’un revêtement en diamant sur le silicium (DCS «diamond coated silicon») et non carbone cristallisé sous forme de diamant (DLC «diamond like carbon»).

[0006] Le diamant a cependant les désavantages suivants: sa dureté extrême fait qu’il devient incompatible avec d’autres matériaux en frottement. Cette incompatibilité est due à l’abrasion provoquée par le diamant sur le matériau en contact. Le diamant a également un désavantage d’avoir des propriétés tribologiques médiocres constatées dans le fonctionnement spécifique d’ancres et de roues d’échappement. Les deux composants étant fabriqués en silicium et recouverts de diamant. Par tribologie, on entend la science qui étudie les phénomènes susceptibles de se produire entre deux systèmes matériels en contact, immobiles ou animés de mouvements relatifs. Il recouvre, entre autres, tous les domaines du frottement, de l’usure et de la lubrification.

[0007] On connaît également des solutions où le silicium est revêtu d’une couche de dioxyde de silicium. Cette solution a de grands avantages au niveau des propriétés tribologiques mais la pièce n’est pas mécaniquement renforcée.

Sommaire de l’invention

[0008] La présente invention a donc pour objet de proposer une pièce de micro-mécanique qui ne présente pas de désavantages de pièces connues et qui est en outre particulièrement convenable pour être utilisée dans le domaine d’horlogerie.

[0009] A cet effet, l’invention a pour objet selon un premier aspect une pièce de micro-mécanique comprenant une âme fabriquée en silicium, dans laquelle la pièce de micro-mécanique comprend une première couche de revêtement, la première couche comprenant du diamant, caractérisée en ce que la pièce de micro-mécanique comprend une deuxième couche de revêtement sur la première couche, la deuxième couche couvrant au moins partiellement la première couche, et possédant des propriétés tribologiques complémentaires à celles de la première couche.

[0010] La pièce de micro-mécanique selon la présente invention est donc très rigide grâce au revêtement en diamant mais possède des propriétés tribologiques idéales grâce au deuxième revêtement. Le deuxième revêtement rend la pièce de micro-mécanique compatible avec d’autres matériaux en frottement et les abrasions peuvent être évitées.

[0011] Selon un mode de réalisation particulier, la pièce de micromécanique est telle qu’au moins une couche intermédiaire est arrangée entre l’âme et la première couche de revêtement. Ainsi, l’âme en silicium et cette au moins une couche intermédiaire forme un ensemble qui peut être revêtu des couches supplémentaires. La couche ou les couches intermédiaires peuvent également être réalisés en un matériau cristallin, notamment silicium. Mais il est bien entendu possible de réaliser ces couches intermédiaires dans d’autres matériaux.

[0012] Grâce à ces couches intermédiaires, la pièce de micro-mécanique présente des propriétés avantageuses par rapport à une pièce dans laquelle l’âme est directement revêtue de la couche en diamant. Par exemple les couches intermédiaires peuvent être utiles d’avoir une rugosité extrêmement faible. Ou alors les couches intermédiaires peuvent être mises pour faciliter ou garantir l’adhérence du diamant.

[0013] L’invention a pour objet selon un deuxième aspect un procédé de fabrication d’une pièce de micro-mécanique, comprenant les étapes suivantes: <tb>•<SEP>graver une âme en silicium de la pièce micro-mécanique; <tb>•<SEP>déposer une première couche de revêtement, la première couche comprenant du diamant, et couvre au moins partiellement l’âme, caractérisé en ce que le procédé comprend en plus: <tb>•<SEP>déposer une deuxième couche de revêtement sur la première couche, la deuxième couche couvrant au moins partiellement la première couche, et possédant des propriétés tribologiques complémentaires à celles de la première couche.

[0014] Les autres aspects de la présente invention se trouvent dans les revendications dépendantes.

Brève description des dessins

[0015] L’invention sera bien comprise à la lecture de la description ci-après faite à titre d’exemple non limitatif, en regardant les dessins ci-annexés qui représentent schématiquement: <tb>fig. 1<SEP>une vue de coupe, une pièce de micro-mécanique selon une solution connue de l’état de l’art, et <tb>fig. 2<SEP>une vue de coupe, une pièce de micro-mécanique selon un mode de réalisation de la présente invention.

Description détaillée d’un mode de réalisation

[0016] Les mêmes numéros de référence indiquent les éléments correspondants dans les différentes figures.

[0017] En se reportant aux dessins, un mode de réalisation non limitatif d’une pièce de micro-mécanique et de son procédé de fabrication conformément à la présente invention est maintenant expliqué plus en détail.

[0018] Fig. 1 illustre une vue de coupe d’une pièce de micro-mécanique 101 telle qu’une ancre dans le domaine d’horloger. Cette pièce comporte une âme (partie principale) en silicium 103 dont toute ou une partie de la surface est revêtue d’une couche de diamant 105. L’âme 103 est obtenue par exemple par gravure ionique réactive profonde. La gravure ionique réactive profonde est un procédé de gravure ionique réactive fortement anisotrope utilisé en microélectronique. Il permet de créer des trous et des tranchées profondes dans des wafers avec un rapport largeur/hauteur de 20/1 ou plus. Cette technique a été développée, par exemple, pour les microsystèmes électromécaniques qui nécessitent ce type de fonctionnalités. Il existe deux principales techniques de DRIE à haut taux: cryogénique et Bosch.

[0019] Pour obtenir la couche de diamant 105 on effectue un dépôt DCS. Normalement une couche de diamant 105 dont l’épaisseur est entre 0.5 µm et 1 µm est suffisante pour garantir la rigidité souhaitée de la pièce de micromécanique 101.

[0020] Pour améliorer les propriétés tribologiques de la pièce de micromécanique 101 et donc pour éviter les désavantages de l’abrasion, on recouvre la couche de diamant 105 soit partiellement, soit entièrement d’une couche supplémentaire 201 (fig. 2 ) ayant les caractéristiques suivantes: bonne adhérence au diamant et bonnes propriétés tribologiques. Dans cet exemple cette couche supplémentaire 201 est de l’oxyde de silicium. L’épaisseur de cette couche supplémentaire (201) est normalement entre 50 nanomètres et 1000 nanomètres.

[0021] Selon un premier exemple, la couche supplémentaire 201 est obtenue par un dépôt d’oxyde de silicium par procédé dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD «plasma-enhanced chemical vapour déposition») ou procédé équivalent sur le diamant. Le dépôt chimique en phase vapeur assisté par le plasma est un procédé utilisé pour déposer des couches minces sur un substrat à partir d’un état gazeux (vapeur). Des réactions chimiques se déroulent pendant le processus après la formation d’un plasma à partir des gaz du réacteur. Le plasma est généralement créé à partir de ce gaz par radio-fréquences ou bien par une décharge électrique entre deux électrodes. Un plasma est un gaz dans lequel un pourcentage élevé d’atomes ou de molécules sont ionisés.

[0022] Le dépôt par plasma est fréquemment utilisé dans la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs pour déposer des films sur des plaquettes possédant une ou plusieurs couches métalliques ou d’autres structures sensibles à la température. L’oxyde de silicium (par exemple dioxyde de silicium, SiO2) peut être déposé à partir de dichlorosilane ou d’un mélange de silane et d’oxygène, généralement à des pressions allant de quelques centaines de millitorrs à quelques torrs.

[0023] Selon un deuxième exemple, la couche supplémentaire 201 est obtenue par un dépôt de polysilicium sur le diamant par les mêmes procédés que dans le premier exemple. Dans ce cas une oxydation du polysilicium dans un four permet une transformation en oxyde de silicium. En d’autres termes, on effectue une oxydation thermique pour le polysilicium à haute température, normalement entre 800 °C et 1300 °C pour obtenir une couche d’oxyde de silicium 201 sur le diamant.

[0024] Le polysilicium, très couramment appelé silicium polycristallin ou poly-Si est une forme de silicium qui se différencie du silicium monocristallin comme du silicium amorphe. Contrairement au premier, composé d’un seul cristal et au second n’ayant aucune ou une très faible cohérence cristallographique, le polysilicium est constitué de multiples petits cristaux de tailles et de formes variées, et possède donc des propriétés différentes des deux autres formes. Contrairement au silicium monocristallin, le polysilicium est composé d’un très grand nombre de petits cristaux ou cristallites de silicium.

[0025] On pourrait aussi envisager d’autres recouvrements, tels qu’oxyde de tantale (Ta2O5) ou nitrure de silicium, dans les limites que leur adhérence au silicium soit suffisante et que ces recouvrements possèdent des bonnes propriétés tribologiques. La couche finale 201 peut aussi être un mélange des matériaux identifiés ci-dessus. Dans la solution décrite ci-dessus les deux couches de revêtement finales 105; 201 sont déposées directement sur l’âme 103. On peut également envisager des solutions où il y a une ou plusieurs couches intermédiaires entre l’âme et les couches finales 105; 201.

Claims (15)

1. Pièce de micro-mécanique (101) comprenant une âme (103) fabriquée en silicium, dans laquelle la pièce de micro-mécanique comprend une première couche de revêtement (105), la première couche (105) comprenant du diamant, caractérisée en ce que la pièce de micro-mécanique (101) comprend une deuxième couche de revêtement (201) sur la première couche (105), la deuxième couche (201) couvrant au moins partiellement la première couche (105), et possédant des propriétés tribologiques complémentaires à celles de la première couche (105).

2. Pièce de micro-mécanique (101) selon la revendication 1, dans laquelle au moins une couche intermédiaire est arrangée entre l’âme (103) et la première couche de revêtement (105).

3. Pièce de micro-mécanique (101) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la deuxième couche (201) est une couche d’oxyde de silicium, une couche d’oxyde de tantale, une couche de nitrure de silicium ou une couche de mélange de ces matériaux.

4. Pièce de micro-mécanique (101) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la pièce de micro-mécanique (101) est une pièce d’horlogerie.

5. Pièce de micro-mécanique (101) selon la revendication 4, dans laquelle la pièce d’horlogerie est une ancre ou une roue d’échappement.

6. Pièce de micro-mécanique (101) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle l’épaisseur de la première couche (105) est entre 0.5 micromètres et 5 micromètres.

7. Pièce de micro-mécanique (101) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle l’épaisseur de la deuxième couche (201) est entre 50 nanomètres et 1000 nanomètres.

8. Pièce de micro-mécanique (101) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la surface de l’âme (103) est au moins partiellement revêtue de la première couche (105).

9. Procédé de fabrication d’une pièce de micro-mécanique (101), comprenant les étapes suivantes: • graver une âme (103) en silicium de la pièce micro-mécanique (101); • déposer une première couche de revêtement (105), la première couche (105) comprenant du diamant, et couvrant au moins partiellement l’âme (103), caractérisé en ce que le procédé comprend en plus: • déposer une deuxième couche de revêtement (201) sur la première couche (105), la deuxième couche (201) couvrant au moins partiellement la première couche (105), et possédant des propriétés tribologiques complémentaires à celles de la première couche (105).

10. Procédé de fabrication selon la revendication 9, dans lequel au moins une couche intermédiaire de revêtement est déposée sur l’âme (103) avant de déposer la première couche de revêtement (105).

11. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 9 ou 10, dans lequel la gravure est effectuée par gravure ionique réactive profonde.

12. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 9 à 11, dans lequel la première couche (105) est déposée sous forme de revêtement en diamant sur le silicium.

13. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 9 à 12, dans lequel la deuxième couche (201) est de l’oxyde de silicium et qui est obtenue par dépôt chimique en phase vapeur assisté par du plasma.

14. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 9 à 13, dans lequel la deuxième couche (201) est obtenue par un dépôt de polysilicium sur la première couche (105) par un dépôt chimique en phase vapeur assisté par du plasma et en effectuant postérieurement de l’oxydation thermique à une température entre 800 °C et 1300 °C pour transformer le polysilicium en oxyde de silicium.

15. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 9 ou 11 à 14, dans lequel la première couche (201) est déposée directement sur l’âme (103).