CH706424B1 - Procédé de solidarisation de deux pièces en silicium cristallin. - Google Patents

Abstract

L’invention se rapporte à un procédé de solidarisation de deux pièces (3, 7, 17) en silicium cristallin comportant les étapes suivantes: a) former la première pièce (3) comportant au moins un évidement (25); b) former la deuxième pièce (17) comportant au moins une partie saillante (14); c) assembler ladite au moins une partie saillante (14) dans ledit au moins un évidement (25); Selon l’invention, le procédé comporte de plus l’étape finale: d) oxyder l’assemblage afin de rattraper les jeux entre les pièces (3, 7, 17) pour les immobiliser l’une contre l’autre. L’invention concerne le domaine des pièces de micromécaniques, en particulier horlogères.

Description

Domaine de l’invention

[0001] L’invention se rapporte à un procédé de solidarisation de deux pièces en silicium cristallin et, plus précisément, un tel procédé pour former des pièces de micromécanique.

Arrière-plan de l’invention

[0002] Il est connu de former des pièces de micromécanique en silicium. Actuellement, il n’est encore possible de se passer du collage pour solidariser les pièces en silicium entre elles. Toutefois, une opération de collage nécessite une extrême finesse d’application afin de garantir un positionnement correct ce qui la rend coûteuse.

Résumé de l’invention

[0003] Le but de la présente invention est de pallier tout ou partie les inconvénients cités précédemment en proposant un procédé de solidarisation de pièce en silicium ne nécessitant pas d’étape de collage tout en garantissant un bon positionnement entre les pièces.

[0004] A cet effet, l’invention se rapporte à un procédé de solidarisation de deux pièces en silicium cristallin comportant les étapes suivantes: a) former la première pièce comportant au moins un évidement; b) former la deuxième pièce comportant au moins une partie saillante; c) assembler ladite au moins une partie saillante dans ledit au moins un évidement; caractérisé en ce qu’il comporte l’étape finale suivante: d) oxyder l’assemblage afin de rattraper les jeux entre les pour les immobiliser l’une contre l’autre.

[0005] Alternativement, l’invention se rapporte à un procédé de solidarisation de deux pièces en silicium cristallin comportant les étapes suivantes: a) former les première et deuxième pièces comportant respectivement au moins un premier et un deuxième évidements; b) former une pièce intermédiaire en silicium cristallin comportant au moins une première et une deuxième parties saillantes; c) assembler ladite au moins une première partie saillante dans ledit au moins un premier évidement et ladite au moins une deuxième partie saillante dans ledit au moins un deuxième évidement; caractérisé en ce qu’il comporte l’étape finale suivante: d) oxyder l’assemblage afin de rattraper les jeux entre les pièces pour les immobiliser les unes contre les autres.

[0006] On comprend donc que les jeux sont rattrapés de manière équivalente pour chaque pièce et progressivement afin d’améliorer le taux de rebut induit par le mauvais positionnement final des pièces par rapport à une solidarisation utilisant le collage.

[0007] Conformément à d’autres caractéristiques avantageuses de l’invention: au moins une des pièces en silicium cristallin comporte des moyens de déformation élastiques afin de maintenir l’assemblage réalisé lors de l’étape c); les première et deuxième pièces sont formées solidaires d’un dispositif de positionnement par l’intermédiaire d’au moins un pont de matière; le dispositif de positionnement comporte un premier cadre solidaire de la première pièce et un deuxième cadre solidaire de la deuxième pièce, chaque cadre étant aligné l’un par rapport à l’autre à l’aide de moyens de placement lors de l’assemblage de l’étape c); les moyens de placement comportent au moins une attache coopérant avec au moins une cavité de chaque cadre; les moyens de placement comportent des parties élastiques afin de maintenir l’alignement réalisé lors de l’étape c); le dispositif de positionnement est fabriqué à partir d’éléments en silicium cristallin; l’étape d) forme une couche externe de dioxyde de silicium comprise entre 0,5 µm et 6 µm.

[0008] De plus, l’invention se rapporte à une pièce d’horlogerie caractérisée en ce qu’elle comporte au moins deux pièces solidarisées à partir du procédé selon l’une des revendications précédentes.

Description sommaire des dessins

[0009] 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>la fig. 1<SEP>est une représentation schématique de l’expansion spatiale d’un substrat de silicium lorsqu’il est soumis à une oxydation; <tb>la fig. 2<SEP>est une représentation d’un exemple de pièce de micromécanique solidarisée à l’aide du procédé selon l’invention; <tb>les fig. 3 à 6<SEP>sont des représentations schématiques de pièces en silicium lorsqu’elles sont soumises à une oxydation; <tb>la fig. 7<SEP>est une représentation d’un exemple de solidarisation d’une pièce de micromécanique à l’aide du procédé selon l’invention.

Description détaillée des modes de réalisation préférés

[0010] A la fig. 1 , on peut voir une représentation schématique de l’expansion E spatiale d’un substrat de silicium cristallin (Si) désoxydé lorsqu’il est soumis à une oxydation thermique. En effet, à l’état naturel, le silicium cristallin est oxydé par l’atmosphère terrestre et comporte naturellement une couche de dioxyde de silicium de quelques nanomètres.

[0011] Ainsi, comme visible à la fig. 1 , une fois retirée la couche native d’oxyde comme visible à gauche, le substrat de silicium cristallin (Si) est soumis à une oxydation thermique, c’est-à-dire sous atmosphère oxydante et avec apport de chaleur. Après oxydation, comme visible à droite sur la fig. 1 , on remarque alors que le silicium cristallin (Si) du substrat est en partie transformé et remplacé par une couche externe de dioxyde de silicium (SiO2) avec une expansion E de la cote dimensionnelle, c’est-à-dire que le substrat comportant la couche de dioxyde de silicium (SiO2) avec le reste de silicium cristallin (Si) non transformé est plus volumineux qu’avant son oxydation.

[0012] L’invention propose d’utiliser ce phénomène d’expansion pour remplacer l’étape de collage en rattrapant les jeux entre les pièces pour les immobiliser. Comme expliqué ci-après, le procédé selon l’invention solidarise des pièces en silicium avec plus d’avantages qu’en utilisant une étape de collage.

[0013] Avantageusement, l’invention se rapporte à un procédé de solidarisation de deux pièces en silicium cristallin. Selon un premier mode de réalisation, le procédé de solidarisation est direct entre les deux pièces et comporte les étapes suivantes: a) former la première pièce comportant au moins un évidement; b) former la deuxième pièce comportant au moins une partie saillante; c) assembler ladite au moins une partie saillante dans ledit au moins un évidement; caractérisé en ce qu’il comporte l’étape finale suivante: d) oxyder l’assemblage afin de rattraper les jeux entre les pièces pour les immobiliser l’une contre l’autre.

[0014] Bien entendu, il est également possible selon un deuxième mode de réalisation d’utiliser une pièce intermédiaire pour solidariser indirectement les deux pièces en silicium cristallin. Alternativement, l’invention se rapporte alors à un procédé de solidarisation de deux pièces en silicium cristallin comportant les étapes suivantes: a) former les première et deuxième pièces comportant respectivement au moins un premier et un deuxième évidements; b) former une pièce intermédiaire en silicium cristallin comportant au moins une première et une deuxième parties saillantes; c) assembler ladite au moins une première partie saillante dans ledit au moins un premier évidement et ladite au moins une deuxième partie saillante dans ledit au moins un deuxième évidement; caractérisé en ce qu’il comporte l’étape finale suivante: d) oxyder l’assemblage afin de rattraper les jeux entre les pièces pour les immobiliser les unes contre les autres.

[0015] Le procédé utilise préférentiellement un assemblage du type évidement – partie saillante afin que les jeux soient rattrapés progressivement de manière équivalente pour chaque pièce. En effet, suivant l’interstice laissé et les dimensions des pièces, la durée de l’étape d) d’oxydation sera adaptée, c’est-à-dire formera une couche plus ou moins épaisse comme par exemple en variant la durée de l’étape d).

[0016] A titre d’exemple, l’étape d) peut former une couche externe de dioxyde de silicium comprise entre 0,5 µm et 6 µm. A titre comparatif, l’étape d) peut ainsi former une expansion E comprise entre 0,2 µm et 3 µm de l’épaisseur de la pièce initiale en silicium cristallin désoxydé.

[0017] Le procédé selon l’invention va être expliqué à partir du deuxième mode de réalisation consistant à solidariser deux pièces en silicium cristallin de manière indirecte, c’est-à-dire à l’aide d’une pièce intermédiaire. Toutefois, le premier mode de réalisation apporte les mêmes effets et avantages que ceux expliqués ci-dessous pour l’explication du deuxième mode de réalisation.

[0018] L’invention est destinée à fabriquer un organe de micromécanique à partir de la solidarisation de deux pièces en silicium cristallin pour une pièce d’horlogerie. Dans l’exemple ci-dessous, l’organe de micromécanique est un spiral Breguet<®>. Toutefois, d’autres organes (mobile, roue dentée, ancre suisse, pont, platine, balancier, etc.) ou plus généralement d’autres types d’organes sont possibles sans perdre les avantages de l’invention. Bien entendu, d’autres applications qu’une pièce d’horlogerie sont également envisageables.

[0019] Dans l’exemple illustré à la fig. 2 , on peut voir un spiral à élévation de courbe généralement annoté 1. Le spiral 1 est destiné à être monté dans une pièce d’horlogerie en coopération avec un balancier pour former un résonateur. Il comporte un ressort-spiral 3, une virole 5, une courbe terminale 7 et un dispositif d’élévation 9. Préférentiellement, le ressort-spiral 3 et la virole 5 forment une pièce unique afin d’éviter les imprécisions au niveau de leur interface qui nuiraient à la symétrie de développement du spiral 1.

[0020] Afin de garantir la précision de fabrication des pièces 3, 7 et 17, mais également pour rendre quasiment insensible le spiral 1 aux champs magnétiques et aux changements de température, on utilise préférentiellement du silicium cristallin. En effet, c’est un matériau micro-usinable, c’est-à-dire un matériau qui peut être fabriqué avec une précision inférieure au micromètre, par exemple, par gravage ionique réactif profond (également connu sous l’abréviation «DRIE» venant des termes anglais «Deep Reactive Ion Etching») d’une plaque à base de silicium cristallin.

[0021] Afin de réaliser le spiral à élévation de courbe 1, également appelé spiral Breguet<®>, il est utilisé un dispositif d’élévation 9 destiné à rendre solidaires la spire externe 15 du ressort-spiral 3 avec la courbe terminale 7 située au-dessus dudit ressort-spiral. Comme illustré à la fig. 7 , le dispositif d’élévation 9 comporte une attache mécanique 17 comportant deux parties saillantes 12, 14 et des évidements 23, 25 formés dans les pièces 3, 7.

[0022] L’attache 17 comprend un corps principal sensiblement en forme de croix. Ainsi, en plus des deux parties saillantes 12, 14 sensiblement verticales, l’attache 17 comporte en outre deux autres parties saillantes horizontales 16, 18, les quatre parties saillantes étant distribuées les unes par rapport aux autres sensiblement à 90 degrés. Comme expliqué ci-dessus, les deux pièces, c’est-à-dire la courbe terminale 7 et l’ensemble ressort-spiral 3 – virole 5, et la pièce intermédiaire, c’est-à-dire l’attache 17, sont préférentiellement réalisée en silicium cristallin.

[0023] Les évidements 23, 25 sont, de manière préférée, traversant et réalisé dans une augmentation de la largeur respectivement de la courbe terminale 7 et du ressort-spiral 3, Dans l’exemple illustré aux fig. 2 et 7 , les évidements 23, 25 ont des sections sensiblement rectangulaires afin d’y assembler les deux parties saillantes verticales 12, 14. De plus, les épaulements entre chaque partie saillante verticale 12, 14 et une des parties saillantes horizontales 16, 18 sont utilisés, comme mieux visible aux fig. 3 et 4 , comme espaceur par butée contre la courbe terminale 7 et la spire externe 15 du ressort-spiral 3.

[0024] Ainsi, aux fig. 3 et 5 , est présenté un exemple d’assemblage selon l’étape c) du procédé selon l’invention respectivement selon une coupe longitudinale et selon une coupe transversale de l’assemblage. On peut voir la partie saillante 14 de la partie intermédiaire 17 qui est assemblée dans l’évidement 25 de la spire externe 15 de la deuxième pièce 3 avant l’étape d) d’oxydation. Il est visible que l’assemblage n’est pas du type à frottement gras, c’est-à-dire qu’un interstice est laissé entre les pièces à solidariser.

[0025] Après l’étape d) d’oxydation, comme illustré aux fig. 4 et 6 , chaque pièce en silicium cristallisé a vu croître une couche d’épaisseur sensiblement identique de dioxyde de silicium à leur surface en réduisant progressivement l’interstice entre les pièces jusqu’à les immobiliser entre elles, c’est-à-dire jusqu’à former deux épaisseurs de couche de dioxyde à chaque interface entre plusieurs pièces et une épaisseur sur le reste de l’assemblage.

[0026] Dans une variante illustrée à la fig. 7 , au moins une des pièces 3, 7, 17 en silicium cristallin comporte des moyens 13, 19 de déformation élastiques afin de maintenir l’assemblage réalisé lors de l’étape c) jusqu’à ce que l’étape d) soit réalisée. Dans l’exemple de la fig. 7 , la pièce intermédiaire 17 comporte des moyens 13, 19 de déformation élastiques respectivement sur deux faces de chaque partie saillante verticale 12, 14 sous la forme d’une lame courbée.

[0027] Afin d’encore améliorer le positionnement des pièces 3, 7, 17 solidarisées, les première 7 et deuxième 3 pièces peuvent être, avantageusement selon l’invention, formées solidaires d’un dispositif de positionnement 2 par l’intermédiaire d’au moins un pont 20, 22 de matière.

[0028] Préférentiellement, le dispositif de positionnement 2 comporte un premier cadre 4 solidaire de la première pièce 7 et un deuxième cadre 6 solidaire de la deuxième pièce 3, chaque cadre 4, 6 étant aligné l’un par rapport à l’autre à l’aide de moyens de placement 8 lors de l’assemblage de l’étape c). Les moyens de placement 8 comportent au moins une attache 10 coopérant avec au moins une cavité 24, 26 de chaque cadre 4, 6.

[0029] De la même manière que pour les pièces 3, 7, 17, les moyens de placement 8 peuvent comporter des parties élastiques 27, 29 afin de maintenir l’alignement réalisé lors de l’étape c) jusqu’à ce que l’étape d) soit réalisée. Ainsi, de manière préférée, tout ou partie du dispositif de positionnement 2 est fabriqué à partir d’éléments en silicium cristallin.

[0030] On comprend donc, qu’avec l’aide du dispositif de positionnement 2, le positionnement des pièces 3, 7, 17 sera plus précis et moins sensible aux mouvements de déplacement de l’assemblage. En effet, l’assemblage est maintenu par les ponts 20, 22, les cadres 4, 6, les attaches 10, les cavités 24, 26 et éventuellement les parties élastiques 27, 29.

[0031] 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. En particulier, une seule des pièces peut être en silicium cristallin en étant la seule à compenser l’interstice entre les deux pièces.

Claims (10)

1. Procédé de solidarisation de deux pièces (3, 7, 17) en silicium cristallin comportant les étapes suivantes: a) former la première pièce (3, 7) comportant au moins un évidement (23, 25); b) former la deuxième pièce (17) comportant au moins une partie saillante (14); c) assembler ladite au moins une partie saillante (14) dans ledit au moins un évidement (23, 25); caractérisé en ce qu’il comporte l’étape finale suivante: d) oxyder l’assemblage afin de rattraper les jeux entre les pièces (3, 7, 17) pour les immobiliser l’une contre l’autre.

2. Procédé de solidarisation de deux pièces (3, 7) en silicium cristallin comportant les étapes suivantes: a) former les première (3) et deuxième (7) pièces comportant respectivement au moins un premier (25) et un deuxième (23) évidements; b) former une pièce intermédiaire (17) en silicium cristallin comportant au moins une première (14) et une deuxième (12) parties saillantes; c) assembler ladite au moins une première partie saillante (14) dans ledit au moins un premier évidement (25) et ladite au moins une deuxième partie saillante (12) dans ledit au moins un deuxième évidement (23); caractérisé en ce qu’il comporte l’étape finale suivante: d) oxyder l’assemblage afin de rattraper les jeux entre les pièces (3, 7, 17) pour les immobiliser les unes contre les autres.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’au moins une des pièces en silicium cristallin (3, 7, 17) comporte des moyens (13, 19) de déformation élastiques afin de maintenir l’assemblage réalisé lors de l’étape c).

4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les première et deuxième pièces (3, 7, 17) sont formées solidaires d’un dispositif de positionnement (2) par l’intermédiaire d’au moins un pont de matière (20, 22).

5. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dispositif de positionnement (2) comporte un premier cadre (4) solidaire de la première pièce et un deuxième cadre (6) solidaire de la deuxième pièce, chaque cadre (4, 6) étant aligné l’un par rapport à l’autre à l’aide de moyens de placement (8) lors de l’assemblage de l’étape c).

6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de placement (8) comportent au moins une attache (10) coopérant avec au moins une cavité (24, 26) de chaque cadre (4, 6).

7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens de placement (8) comportent des parties élastiques (27, 29) afin de maintenir l’alignement réalisé lors de l’étape c).

8. Procédé selon l’une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que le dispositif de positionnement (2) est fabriqué à partir d’éléments en silicium cristallin.

9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape d) forme une couche externe de dioxyde de silicium comprise entre 0,5 µm et 6 µm.

10. Pièce d’horlogerie caractérisée en ce qu’elle comporte au moins deux pièces (3, 7, 17) solidarisées par le procédé selon l’une des revendications précédentes.