CH710482A2 - A method of etching silicon dioxide. - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de gravure chimique d’un matériau de dioxyde de silicium, tel que le quartz, qui met en œuvre des ions fluorure et un polymère fluoré. Ce procédé de gravure peut être utilisé notamment dans la fabrication d’oscillateurs à quartz destinés à être intégrés dans toutes sortes d’appareils électroniques tels que des appareils d’horlogerie, des gyroscopes ou des pacemakers.The present invention relates to a process for the chemical etching of a silicon dioxide material, such as quartz, which uses fluoride ions and a fluorinated polymer. This etching process can be used in particular in the manufacture of quartz oscillators intended to be integrated in all kinds of electronic devices such as timepieces, gyroscopes or pacemakers.
Description
[0001] La présente invention concerne un procédé de gravure chimique d’un matériau à base de dioxyde de silicium, tel que le quartz, qui met en œuvre des ions fluorure et un polymère fluoré. The present invention relates to a method of chemical etching of a silicon dioxide-based material, such as quartz, which implements fluoride ions and a fluorinated polymer.
[0002] Ce procédé de gravure peut être utilisé notamment dans la fabrication d’oscillateurs à quartz destinés à être intégrés dans toutes sortes d’appareils électroniques tels que des appareils d’horlogerie, des gyroscopes ou des pacemakers. This etching process can be used in particular in the manufacture of quartz oscillators intended to be integrated in all kinds of electronic devices such as timepieces, gyroscopes or pacemakers.
ART ANTERIEURPRIOR ART
[0003] Les résonateurs à cristal piézoélectrique, en particulier les oscillateurs à quartz, servent de base de temps dans les appareils électroniques. Dans les appareils portatifs de petite taille tels que les montres, il est souhaitable de réduire la consommation d’énergie nécessaire à la vibration du cristal piézoélectrique, car l’énergie est apportée par des piles de faibles dimensions. Un résonateur à faible consommation est généralement sous la forme d’un diapason fabriqué selon un procédé comprenant les étapes consistant à graver une pièce à quartz à partir d’un substrat de quartz puis à former des électrodes sur la pièce de quartz. Le diapason comprend deux branches parallèles, séparées par une fente, portant chacune un dépôt conducteur. Les deux électrodes ainsi formées, de polarités opposées, permettent de créer dans les branches un champ électrique alternatif provoquant la vibration du diapason par déformation piézoélectrique. [0003] Piezoelectric crystal resonators, in particular quartz oscillators, serve as a time base in electronic devices. In small portable devices such as watches, it is desirable to reduce the power consumption required for the vibration of the piezoelectric crystal, because the energy is provided by small size batteries. A low consumption resonator is generally in the form of a tuning fork made by a method comprising the steps of etching a quartz piece from a quartz substrate and then forming electrodes on the quartz piece. The tuning fork comprises two parallel branches, separated by a slot, each carrying a conductive deposit. The two electrodes thus formed, of opposite polarities, allow to create in the branches an alternating electric field causing the vibration of the tuning fork by piezoelectric deformation.
[0004] Comme la fréquence d’oscillation d’un oscillateur à quartz dépend essentiellement de la géométrie de la pièce de quartz et de la qualité du matériau, l’étape consistant à graver le quartz à partir du substrat pour former le diapason est une étape importante qui conditionne les performances de l’oscillateur à quartz. Since the oscillation frequency of a quartz oscillator depends essentially on the geometry of the quartz piece and the quality of the material, the step of etching the quartz from the substrate to form the tuning fork is a important step that conditions the performance of the quartz oscillator.
[0005] Le procédé de gravure classiquement utilisé pour découper les matériaux siliciques comme le quartz est un procédé de gravure chimique mettant en œuvre de l’acide fluorhydrique et un masque de gravure résistant à l’acide, généralement de l’or. The etching process conventionally used to cut silicic materials such as quartz is a chemical etching process using hydrofluoric acid and an etching mask resistant to acid, usually gold.
[0006] Cependant, les masques de gravure actuels ne sont pas suffisamment résistants: l’acide fluorhydrique parvient par endroit à les traverser et cause des défauts dans le substrat silicique, ce qui diminue considérablement le rendement de fabrication des pièces découpées. However, the current etching masks are not sufficiently resistant: the hydrofluoric acid arrives in places to cross them and causes defects in the silicic substrate, which significantly reduces the production yield of the cut pieces.
[0007] L’invention propose de remédier à cet inconvénient en proposant un masque de gravure chimique pour matériaux siliciques qui est amélioré. The invention proposes to overcome this disadvantage by providing a chemical etching mask for silicic materials which is improved.
DESCRIPTION DE L’INVENTIONDESCRIPTION OF THE INVENTION
[0008] Un objet de l’Invention est un procédé de gravure du dioxyde de silicium comprenant une étape de fabrication d’un masque de gravure mettant en œuvre un polymère fluoré, suivie d’une étape de gravure chimique mettant en œuvre des ions fluorure. An object of the invention is a method for etching silicon dioxide comprising a step of manufacturing an etching mask using a fluorinated polymer, followed by a chemical etching step using fluoride ions. .
[0009] Un autre objet de la présente invention est un procédé de fabrication d’un oscillateur à quartz qui permet de limiter ou d’éviter tout défaut susceptible d’être observé dans un substrat de quartz après traitement avec de l’acide fluorhydrique à l’état gazeux ou sous forme d’une solution aqueuse. Another object of the present invention is a method of manufacturing a quartz oscillator which makes it possible to limit or avoid any defect that may be observed in a quartz substrate after treatment with hydrofluoric acid. the gaseous state or in the form of an aqueous solution.
[0010] Les inventeurs ont trouvé que les polymères fluorés tels que le poly(fluorure de vinylidène) peuvent être utilisés comme masque de gravure dans un procédé de gravure chimique de matériaux siliciques avec des ions ou des radicaux issu du fluor, en fixant ces polymères fluorés par liaison covalente au substrat à graver. Ce nouveau masque diminue voire même supprime les défauts que l’on peut observer dans les morceaux de quartz qui ont été découpés à l’acide dans les procédés de gravure classiques qui utilisent l’or comme masque de gravure. The inventors have found that fluorinated polymers such as poly (vinylidene fluoride) can be used as an etching mask in a process for etching silicic materials with ions or radicals derived from fluorine, by fixing these polymers. fluorinated by covalent bonding to the substrate to be etched. This new mask decreases or even eliminates the defects that can be observed in the pieces of quartz that have been cut with acid in conventional etching processes that use gold as an etching mask.
[0011] Dans le procédé de gravure de l’invention, le polymère fluoré peut avantageusement remplacer totalement ou partiellement l’or utilisé généralement comme masque de gravure. Le procédé de l’invention permet donc, avantageusement de s’affranchir, si nécessaire, de l’usage d’un masque de gravure à base d’or dont le prix de revient est élevé en raison du coût de la matière première et du coût du matériel nécessaire pour son dépôt sous vide. In the etching process of the invention, the fluorinated polymer may advantageously completely or partially replace the gold generally used as an etching mask. The method of the invention thus makes it possible, advantageously, to overcome, if necessary, the use of a gold-based etching mask whose cost is high because of the cost of the raw material and the cost of material required for its vacuum deposition.
[0012] Un premier objet de l’invention concerne donc un procédé de gravure chimique d’un substrat à base de dioxyde de silicium comprenant les étapes consistant à: fixer un masque de gravure chimique sous la forme d’un film à la surface dudit substrat de dioxyde de silicium; graver ledit substrat en exposant ledit substrat à des ions fluorure pendant une durée suffisante pour découper ledit substrat en morceaux de dioxyde de silicium.A first object of the invention therefore relates to a method of chemical etching a silicon dioxide-based substrate comprising the steps of: attaching a chemical etching mask in the form of a film to the surface of said silicon dioxide substrate; etching said substrate by exposing said substrate to fluoride ions for a time sufficient to cut said substrate into pieces of silicon dioxide.
[0013] Selon ce procédé, le masque de gravure chimique comprend un polymère fluoré et que le polymère fluoré peut être immobilisé par liaisons covalentes, notamment par un traitement radiatif, de préférence un traitement VUV (Vacuum Ultra Violet). According to this method, the chemical etching mask comprises a fluoropolymer and that the fluoropolymer can be immobilized by covalent bonds, in particular by a radiative treatment, preferably a VUV (Vacuum Ultra Violet) treatment.
[0014] Le procédé de l’invention s’applique à tous les matériaux contenant du dioxyde de silicium, de préférence du dioxyde de silicium cristallin. Le polymère fluoré est de préférence immobilisé par création de liaisons covalentes avec le substrat de dioxyde de silicium en utilisant un traitement radiatif. The process of the invention applies to all materials containing silicon dioxide, preferably crystalline silicon dioxide. The fluoropolymer is preferably immobilized by creating covalent bonds with the silicon dioxide substrate using a radiative treatment.
[0015] Le dioxyde de silicium est un matériau solide, de préférence sous forme cristalline, qui peut contenir quelques molécules d’eau insérées dans le réseau cristallin formé par les atomes de silicium et d’oxygène. Silicon dioxide is a solid material, preferably in crystalline form, which may contain some water molecules inserted into the crystal lattice formed by the silicon and oxygen atoms.
[0016] Parmi les oxydes de silicium essentiellement anhydres sous forme cristalline utilisés comme substrat dans le cadre du procédé de gravure de l’invention, on peut citer le quartz, la tridymite, la cristobalite, la coésite, et la silice fibreuse. Among the substantially anhydrous silicon oxides in crystalline form used as substrate in the context of the etching process of the invention, mention may be made of quartz, tridymite, cristobalite, coesite, and fibrous silica.
[0017] Selon un mode de réalisation, le substrat de dioxyde de silicium est un substrat de quartz synthétique monocristal dont la structure cristalline permet sa gravure anisotrope, de préférence dans un plan perpendiculaire à la surface du substrat. Le quartz peut être obtenu par voie hydrothermale à une température de 340 °C et à une pression de 1000 atm. La croissance se fait sur un petit cristal initiateur. According to one embodiment, the silicon dioxide substrate is a single-crystal synthetic quartz substrate whose crystalline structure allows it to be anisotropically etched, preferably in a plane perpendicular to the surface of the substrate. The quartz can be obtained hydrothermally at a temperature of 340 ° C and a pressure of 1000 atm. The growth is done on a small crystal initiator.
[0018] Le polymère fluoré utilisé dans le procédé de l’invention est de préférence un polymère à chaîne carbonée comprenant plusieurs liaisons carbone-fluore. Dans un mode de réalisation, le polymère fluoré comprend un nombre de liaisons carbone-hydrogène dans un ratio d’environ 1:1 par rapport au nombre de liaisons carbone-fluoré. Le polymère peut être amorphe ou semi-cristallin. The fluoropolymer used in the process of the invention is preferably a carbon chain polymer comprising several carbon-fluorine bonds. In one embodiment, the fluoropolymer comprises a number of carbon-hydrogen bonds in a ratio of about 1: 1 to the number of carbon-fluorinated bonds. The polymer may be amorphous or semi-crystalline.
[0019] Le polymère fluoré peut être obtenu par polymérisation d’au moins un monomère fluoré choisi dans le groupe constitué par le Fluorure de vinyle, le Fluorure de vinylidène, le Tétrafluoroéthylène, l’Hexafluoropropylène, le Perfluoropropylvinyléther, le Perfluorométhylvinyléther, et le Chlorotrifluoroéthylène. D’autres monomères vinyliques tels que l’éthylène et le propylène peuvent être copolymérisés avec les monomères précédents. The fluoropolymer may be obtained by polymerization of at least one fluorinated monomer selected from the group consisting of vinyl fluoride, vinylidene fluoride, tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, perfluoropropylvinylether, perfluoromethylvinylether, and chlorotrifluoroethylene. . Other vinyl monomers such as ethylene and propylene may be copolymerized with the foregoing monomers.
[0020] Selon un mode de réalisation de l’invention, le polymère fluoré est un poly(fluorure de vinylidène) (en anglais polyvinylidene fluoride; norme ISO PVDF; CAS Number: 24 937-79-9), par exemple un polymère vendu sous la référence Dyflor® (Evonik), Foraflon®, Kynar® (Arkema), Product Number: 182702 (Sigma Aldrich), ou Solef5 (Solvay). According to one embodiment of the invention, the fluorinated polymer is a polyvinylidene fluoride (polyvinylidene fluoride, ISO standard PVDF, CAS Number: 24 937-79-9), for example a polymer sold under the reference Dyflor® (Evonik), Foraflon®, Kynar® (Arkema), Product Number: 182702 (Sigma Aldrich), or Solef5 (Solvay).
[0021] Selon un autre mode de réalisation, le polymère fluoré est l’Ethylène-Propylène fluoré obtenu par copolymérisation de tétrafluoroéthylène et d’hexafluoropropylène, ou le PTFE (polytétrafluoroéthylène). According to another embodiment, the fluorinated polymer is fluorinated ethylene-propylene obtained by copolymerization of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene, or PTFE (polytetrafluoroethylene).
[0022] La masse moléculaire en poids du polymère fluoré mesurée par GPC peut être comprise entre 200000 et 700000 g/mol. Selon un mode de réalisation particulier, la masse moléculaire en poids du polymère fluoré mesurée par GPC peut être comprise entre 500 000 et 550 000 g/mol, et sa densité à 25 °C peut être de l’ordre de 1,7–1,8 g/mL. Son indice de réfraction mesuré à 20 °C est par exemple de l’ordre de 1.4150–1.4250. The weight-average molecular weight of the fluoropolymer measured by GPC may be between 200,000 and 700,000 g / mol. According to a particular embodiment, the weight-average molecular weight of the fluoropolymer measured by GPC may be between 500,000 and 550,000 g / mol, and its density at 25 ° C. may be of the order of 1.7-1. , 8 g / mL. Its refractive index measured at 20 ° C is for example of the order of 1.4150-1.4250.
[0023] Le polymère fluoré est avantageusement sous la forme d’un film déposé à la surface du substrat et présentant une épaisseur comprise entre 50 et 500 nm, de préférence comprise entre 80 et 200 nm, par exemple entre 80 et 100 nm. The fluoropolymer is advantageously in the form of a film deposited on the surface of the substrate and having a thickness of between 50 and 500 nm, preferably between 80 and 200 nm, for example between 80 and 100 nm.
[0024] Le masque peut être sous la forme d’un film d’épaisseur comprise entre 50 et 1000 nm, de préférence encore entre 170 et 400 nm. The mask may be in the form of a film of thickness between 50 and 1000 nm, more preferably between 170 and 400 nm.
[0025] Le masque de gravure chimique peut comprendre ou être constitué de l’empilement d’un film de polymère fluoré et d’un film d’or, de palladium ou de platine ayant une épaisseur allant de 50 à 500 nm, par exemple comprise entre 140 et 190 nm. The chemical etching mask may comprise or consist of the stack of a fluoropolymer film and a film of gold, palladium or platinum having a thickness ranging from 50 to 500 nm, for example between 140 and 190 nm.
[0026] L’adhérence de la couche d’or, de palladium ou de platine au substrat de dioxyde de silicium peut être améliorée si nécessaire en intercalant un film de chrome d’épaisseur comprise entre 10 et 50 nm, par exemple de l’ordre de 30 nm, entre la couche d’or et le substrat de dioxyde de silicium. The adhesion of the layer of gold, palladium or platinum to the silicon dioxide substrate can be improved if necessary by interposing a chromium film with a thickness between 10 and 50 nm, for example from order of 30 nm, between the gold layer and the silicon dioxide substrate.
[0027] Le masque de gravure chimique comprend ou est constitué par exemple d’un film de polymère fluoré immobilisé par liaisons covalentes avec un film d’or, lequel film d’or est en contact avec un film de chrome, et lequel film de chrome est au contact du substrat. The chemical etching mask comprises or consists for example of a fluoropolymer film immobilized by covalent bonds with a gold film, which gold film is in contact with a chromium film, and which film of chromium is in contact with the substrate.
[0028] Le film d’or, de palladium ou de platine peut être déposé par tout procédé connu de l’homme du métier, notamment par pulvérisation (sputtering en anglais) ou par dépôt physique en phase vapeur (physical vapor déposition en anglais, PVD). The gold, palladium or platinum film may be deposited by any method known to those skilled in the art, in particular by sputtering (English sputtering) or by physical vapor deposition (physical vapor deposition in English, PVD).
[0029] Dans un autre mode de mise en œuvre, le masque de gravure chimique est constitué d’un film de polymère fluoré immobilisé par liaisons covalentes avec le substrat. In another embodiment, the chemical etching mask consists of a fluoropolymer film immobilized by covalent bonds with the substrate.
[0030] Le polymère fluoré peut être déposé par tout procédé connu de l’homme du métier. Lorsqu’il est sous la forme d’un film, le film de polymère fluoré peut être obtenu par enduction centrifuge d’une solution du polymère dans un solvant organique, suivie de l’évaporation du solvant. The fluoropolymer may be deposited by any method known to those skilled in the art. When in the form of a film, the fluoropolymer film may be obtained by spin coating a solution of the polymer in an organic solvent, followed by evaporation of the solvent.
[0031] Le procédé de l’invention permet de créer des liaisons covalentes entre le substrat de dioxyde de silicium et le polymère fluoré, ou entre l’or (le palladium ou le platine) et le polymère fluoré. The process of the invention makes it possible to create covalent bonds between the silicon dioxide substrate and the fluoropolymer, or between gold (palladium or platinum) and the fluoropolymer.
[0032] Le procédé de dépôt du polymère fluoré est réalisé sur le substrat, en recouvrant la surface du dioxyde de silicium ou la surface de l’or (du palladium ou du platine), à une température qui peut avantageusement être comprise entre 20 et 30 °C. Le procédé peut être mis en œuvre sur une surface conductrice dans le cas de l’or (du palladium ou du platine), ou isolante dans le cas du dioxyde de silicium. The process for depositing the fluoropolymer is carried out on the substrate, covering the surface of the silicon dioxide or the surface of the gold (palladium or platinum), at a temperature which may advantageously be between 20 and 25.degree. 30 ° C. The method can be implemented on a conductive surface in the case of gold (palladium or platinum), or insulating in the case of silicon dioxide.
[0033] Un procédé de dépôt du polymère fluoré sur le dioxyde de silicium peut comprendre: <tb>1)<SEP>la mise en contact de la surface du substrat de dioxyde de silicium avec une solution du polymère fluoré dans un solvant, et l’évaporation du solvant, puis <tb>2)<SEP>la fixation du polymère fluoré au substrat par création de liaisons covalentes entre le polymère et le substrat.A process for depositing the fluoropolymer on silicon dioxide may comprise: <tb> 1) <SEP> contacting the surface of the silicon dioxide substrate with a solution of the fluorinated polymer in a solvent, and evaporation of the solvent, and <tb> 2) <SEP> attaching the fluoropolymer to the substrate by creating covalent bonds between the polymer and the substrate.
[0034] L’étape 1) de mise en contact d’une solution de polymère fluoré avec le substrat est choisie dans le groupe constitué par l’immersion-émersion (dipping; dip-coating), l’enduction centrifuge (spin-coating), la pulvérisation (spray-coating), le casting ou l’impression par jet. L’évaporation du solvant peut être accélérée par élévation de la température, de manière à diminuer la porosité du film. The step 1) of bringing a solution of fluorinated polymer into contact with the substrate is chosen from the group consisting of dip-coating, centrifugal coating (spin-coating). ), spray-coating, casting or jet printing. The evaporation of the solvent can be accelerated by raising the temperature so as to reduce the porosity of the film.
[0035] L’étape 2) de fixation du polymère pourra être réalisée par un traitement radiatif, par exemple un traitement par irradiation de rayons ultraviolets, par exemple dans l’UV-c (Vacuum Ultra Violet ou VUV). Le traitement que l’on fait subir au film de polymère fluoré déposé sur le substrat pour le fixer par liaison covalente est avantageusement dépourvu de l’usage d’un activateur de la surface du dioxyde de silicium. The step 2) of fixing the polymer may be carried out by a radiative treatment, for example a radiation treatment of ultraviolet rays, for example in the UV-c (Vacuum Ultra Violet or VUV). The treatment that is made of the fluoropolymer film deposited on the substrate to fix it by covalent bonding is advantageously devoid of the use of an activator of the surface of the silicon dioxide.
[0036] Un procédé d’immobilisation du polymère fluoré par un traitement radiatif permet d’éviter une étape de fonctionnalisation de la surface par des sels d’aryle par exemple. A method of immobilizing the fluoropolymer by a radiative treatment avoids a functionalization step of the surface with aryl salts for example.
[0037] Un procédé de dépôt du polymère fluoré sur un film d’or (de palladium ou de platine) peut comprendre une étape d’électrogreffage dans des conditions connues de l’homme du métier, par exemple en suivant l’enseignement du brevet US 8 784 635. Par exemple le monomère fluoré, notamment un fluorure de vinylidène) sera dissout dans un solvant organique de type DMF en présence d’un sel d’aryle diazonium afin de former la solution d’électrogreffage. A method of depositing the fluoropolymer on a gold film (palladium or platinum) may comprise an electrografting step in conditions known to those skilled in the art, for example by following the patent teaching. No. 8,784,635. For example, the fluorinated monomer, especially a vinylidene fluoride) will be dissolved in a DMF-type organic solvent in the presence of an aryl diazonium salt in order to form the electrografting solution.
[0038] Dans un mode de réalisation particulier, le masque de gravure chimique comprend la superposition d’un film de chrome, d’un film d’or (de palladium ou de platine) et d’un film de polymère fluoré, et le film d’or (de palladium ou de platine) est déposé sur le film de chrome par pulvérisation. Dans ce mode de réalisation, le film de polymère fluoré est ensuite fixé à la surface du film d’or (de palladium ou de platine) par liaison covalente en utilisant un traitement radiatif tel que décrit précédemment. In a particular embodiment, the chemical etching mask comprises the superposition of a chromium film, a gold (palladium or platinum) film and a fluoropolymer film, and the gold film (palladium or platinum) is deposited on the chromium film by spraying. In this embodiment, the fluoropolymer film is then attached to the surface of the gold (palladium or platinum) film by covalent bonding using a radiative treatment as previously described.
[0039] Dans le procédé de l’invention, le dioxyde de silicium est gravé chimiquement avec des ions fluorure. In the process of the invention, the silicon dioxide is etched chemically with fluoride ions.
[0040] On choisit une concentration en ions fluorure permettant d’atteindre un compromis entre une vitesse de gravure industrialisable la plus élevée possible tout en garantissant l’absence de défauts dans le quartz. Ainsi, la vitesse de gravure par les ions ou les radicaux issu du fluor est de préférence comprise entre 10 et 1000 nm/mm, de préférence encore entre 400 et 600 nm/min, à une température comprise entre 20 et 90 °C, de préférence entre 70 et 80 °C en atmosphère ouverte. We choose a fluoride ion concentration to achieve a compromise between the highest possible industrializable etching rate while ensuring the absence of defects in the quartz. Thus, the etching rate of the ions or radicals derived from fluorine is preferably between 10 and 1000 nm / mm, more preferably between 400 and 600 nm / min, at a temperature of between 20 and 90 ° C. preferably between 70 and 80 ° C in an open atmosphere.
[0041] Les ions fluorure peuvent être apportés par du HF à l’état gazeux ou sous forme d’une solution aqueuse acide. The fluoride ions may be provided by HF in the gaseous state or in the form of an acidic aqueous solution.
[0042] La solution aqueuse acide contenant des ions fluorure comprend de l’acide fluorhydrique, du fluorure d’ammonium, ou un de leurs mélanges. Cette solution peut éventuellement contenir d’autres composés additifs tels que des tensio-actifs. The acidic aqueous solution containing fluoride ions comprises hydrofluoric acid, ammonium fluoride, or a mixture thereof. This solution may optionally contain other additive compounds such as surfactants.
[0043] Dans un mode de réalisation particulier, la solution de gravure comprend du fluorure d’ammonium (NH4F), de l’acide fluorhydrique (HF) et éventuellement des additifs. On peut utiliser un ratio volumique ou un ratio massique entre le fluorure d’ammonium et l’acide fluorhydrique compris entre 10:1 et 1:1, de manière à moduler la vitesse de gravure, en fonction de l’épaisseur du substrat Il est possible d’utiliser la solution commerciale de référence BOE®. In a particular embodiment, the etching solution comprises ammonium fluoride (NH4F), hydrofluoric acid (HF) and optionally additives. It is possible to use a volume ratio or a mass ratio between ammonium fluoride and hydrofluoric acid of between 10: 1 and 1: 1, so as to modulate the etching rate, depending on the thickness of the substrate. possible to use the commercial reference solution BOE®.
[0044] Selon un mode de réalisation, la gravure est effectuée par trempage du substrat de dioxyde de silicium – dans une solution aqueuse d’acide fluorhydrique à 40–60% tamponnée avec du fluorure d’ammonium – pendant 2 à 5 heures, à une température comprise entre 70 et 90 °C. According to one embodiment, the etching is carried out by dipping the silicon dioxide substrate - in an aqueous solution of hydrofluoric acid at 40-60% buffered with ammonium fluoride - for 2 to 5 hours, at a temperature of between 70 and 90 ° C.
[0045] La forme du masque de gravure comprenant le polymère fluoré peut être obtenue par un procédé mettant en œuvre une étape de photolithographie, bien connue de l’homme du métier. On définit la géométrie du masque en fonction de la forme et de la taille des morceaux de dioxyde de silicium que l’on souhaite obtenir. The shape of the etching mask comprising the fluoropolymer can be obtained by a method implementing a photolithography step, well known to those skilled in the art. The geometry of the mask is defined according to the shape and the size of the pieces of silicon dioxide that it is desired to obtain.
[0046] Dans une première étape du procédé de photolithographie, une couche de résine photosensible peut être déposée sur toute la surface du film formant le masque comprenant le polymère fluoré en utilisant une méthode de revêtement par centrifugation (spin coating) de manière à déposer un film de résine. In a first step of the photolithography process, a photosensitive resin layer may be deposited on the entire surface of the film forming the mask comprising the fluoropolymer by using a spin coating method in order to deposit a resin film.
[0047] On entend par «résine photosensible», encore appelée photorésine (photoresist en anglais), un matériau photosensible utilisé dans le cadre d’un procédé de photolithographie pour former un revêtement protecteur ajouré à la surface du substrat de matériau silicique. La résine photosensible peut être «positive» ou «négative». Une résine photosensible positive devient soluble dans un solvant révélateur lorsqu’elle a été exposée à la lumière et elle est insoluble au révélateur lorsqu’elle n’a pas été exposée à la lumière. Une résine photosensible négative devient insoluble dans un solvant révélateur lorsqu’elle a été exposée à la lumière et elle est soluble au révélateur lorsqu’elle n’a pas été exposée à la lumière. Les résines photosensibles utilisées dans le cadre de l’invention peuvent être exposées à des longueurs d’onde du spectre ultraviolet. The term "photoresist", also called photoresist (photoresist in English), a photosensitive material used in the context of a photolithography process to form a protective coating openwork on the surface of the silicic material substrate. The photoresist can be "positive" or "negative". A positive photoresist becomes soluble in a developer solvent when exposed to light and is insoluble to the developer when it has not been exposed to light. A negative photoresist becomes insoluble in a developer solvent when exposed to light and is developer-soluble when not exposed to light. The photosensitive resins used in the context of the invention may be exposed to wavelengths of the ultraviolet spectrum.
[0048] On peut faire ensuite subir à la résine qui a été déposée sur le film de polymère fluoré, un traitement de durcissement thermique dans un four à circulation d’air. La résine est par exemple un polymère tel que le polymère AZ-P1350 commercialisé par la société Clariant Co., ou la résine de Tokyo Ohka Co. (dénomination commerciale OFPR800). The resin which has been deposited on the fluoropolymer film can then be subjected to a heat-curing treatment in an air circulation oven. The resin is, for example, a polymer such as the AZ-P1350 polymer sold by Clariant Co., or the Tokyo Ohka Co. resin (OFPR800).
[0049] Selon le procédé de lithographie, une pièce d’empreinte opaque est ensuite disposée parallèlement à la surface du substrat de quartz intégralement recouverte par l’empilement de plusieurs films dont éventuellement un film Cr/Au, un film de polymère fluoré, et un film de résine photosensible, le masque de gravure étant en contact avec le substrat According to the lithography method, an opaque impression piece is then disposed parallel to the surface of the quartz substrate integrally covered by the stack of several films, possibly including a Cr / Au film, a fluoropolymer film, and a photosensitive resin film, the etching mask being in contact with the substrate
[0050] Le substrat est ensuite exposé à la lumière de telle sorte que seules les parties du matériau photosensible qui ont été exposées à la lumière peuvent être révélées par un solvant pour laisser affleurer le masque de gravure selon un motif complémentaire de celui de la pièce d’empreinte. Les lignes de Cr/Au/polymère fluoré qui ne sont plus recouvertes de résine photosensible sont ensuite éliminées. The substrate is then exposed to light so that only the portions of the photosensitive material which have been exposed to light can be revealed by a solvent to allow the etching mask to be flush with a pattern complementary to that of the piece. fingerprint. The Cr / Au / fluoropolymer lines that are no longer coated with photoresist are then removed.
[0051] Le polymère fluoré peut être retiré grâce à un plasma 02, très souvent utilisé pour nettoyer les motifs qui ont été développés grâce à la résine photosensible. Pour ôter le film d’or, on peut utiliser un mélange I2/KI/H2O. Le film de chrome peut être dissout avec un mélange KMnO4/NaOH/H2O. The fluoropolymer can be removed through a plasma 02, very often used to clean the patterns that have been developed through the photosensitive resin. To remove the gold film, I2 / KI / H2O can be used. The chromium film can be dissolved with a KMnO4 / NaOH / H2O mixture.
[0052] La résine photosensible qui n’a pas été exposée est ensuite retirée à l’aide d’une solution d’acétone ou d’une solution de NMP par exemple, laissant le masque de gravure intacte. The photosensitive resin which has not been exposed is then removed using a solution of acetone or a solution of NMP for example, leaving the etching mask intact.
[0053] Dans une étape ultérieure, l’ensemble est traité avec les ions fluorures pour dissoudre les tranches du substrat de quartz qui ne sont plus recouvertes du masque de gravure. Le masque de gravure est finalement retiré de la même façon que dans l’étape de définition du motif. In a subsequent step, the assembly is treated with the fluoride ions to dissolve the slices of the quartz substrate which are no longer covered with the etching mask. The etching mask is finally removed in the same way as in the pattern definition step.
[0054] La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d’un oscillateur à quartz qui utilise le procédé de gravure chimique tel que décrit précédemment. Selon ce procédé, le masque de gravure chimique est résistant à la corrosion que peuvent générer les ions fluorure, notamment sous forme d’une solution contenant de l’acide fluorhydrique. L’invention a également pour objet un oscillateur à quartz obtenu par ce procédé, un appareil électronique choisi dans le groupe constitué par les appareils d’horlogerie, les gyroscopes et les pacemakers, lequel appareil comprend un tel oscillateur à quartz. The present invention also relates to a method of manufacturing a quartz oscillator that uses the chemical etching process as described above. According to this method, the chemical etching mask is resistant to corrosion that can generate fluoride ions, especially in the form of a solution containing hydrofluoric acid. The invention also relates to a quartz oscillator obtained by this method, an electronic device selected from the group consisting of timepieces, gyroscopes and pacemakers, which apparatus comprises such a quartz oscillator.
[0055] Le procédé de fabrication d’un oscillateur à quartz selon l’invention, comprend les étapes consistant à former un masque de gravure comprenant un polymère fluoré, et à graver le substrat en quartz avec des ions fluorure afin de découper le substrat de quartz en morceaux. The method of manufacturing a quartz oscillator according to the invention comprises the steps of forming an etching mask comprising a fluorinated polymer, and etching the quartz substrate with fluoride ions in order to cut the substrate of quartz in pieces.
[0056] La géométrie du masque de gravure peut être définie par un procédé de photolithographie tel que décrit précédemment, de manière à obtenir des diapasons d’une taille de l’ordre de 450x900 microns. The geometry of the etching mask can be defined by a photolithography method as described above, so as to obtain tuning forks of a size of the order of 450x900 microns.
[0057] L’invention a encore pour objet l’utilisation d’un polymère fluoré, en particulier un poly(fIuorure de vinylidène), comme masque de gravure chimique – dans un procédé de gravure chimique d’un substrat de dioxyde de silicium mettant en œuvre une solution acide d’ions fluorure, ledit polymère permettant de limiter l’apparition de défauts dans ledit substrat gravé. <tb>La fig. 1<SEP>représente une vue de dessus des oscillateurs à quartz obtenus selon le procédé de l’invention, observés au microscope grossissement 40. <tb>La fig. 2<SEP>représente une vue de dessus des oscillateurs à quartz obtenus selon le procédé de l’art antérieur, observés au microscope grossissement 40. On visualise la présence de petits trous à la surface du substrat.The subject of the invention is also the use of a fluoropolymer, in particular a polyvinylidene fluoride, as a chemical etching mask, in a process of chemical etching of a silicon dioxide substrate, an acid solution of fluoride ions is used, said polymer making it possible to limit the occurrence of defects in said etched substrate. <tb> Fig. 1 <SEP> represents a top view of the quartz oscillators obtained according to the method of the invention, observed under a magnification microscope 40. <tb> Fig. 2 <SEP> represents a top view of the quartz oscillators obtained according to the method of the prior art, observed under a magnification microscope 40. The presence of small holes on the surface of the substrate is shown.
[0058] L’invention est illustrée par les exemples suivants. Sauf mention contraire, les conditions expérimentales sont de 25 °C et 1 atm. The invention is illustrated by the following examples. Unless otherwise stated, the experimental conditions are 25 ° C and 1 atm.
EXEMPLE 1: Or/PVDF comme masque de gravure chimique de substrats de quartzEXAMPLE 1 Gold / PVDF as a Chemical Etch Mask for Quartz Substrates
[0059] Dans cet exemple, on a utilisé un masque composé de l’empilement de trois films: Cr/Au/polymère fluoré. In this example, we used a mask composed of the stack of three films: Cr / Au / fluoropolymer.
[0060] Des lignes de masque ont été créées par photolithographie avec une résine photosensible, puis le quartz a été gravé chimiquement avec une solution d’acide fluorhydrique à pH tamponné. Les empilements Cr/Au/polymère fluoré ont ensuite été retirés des morceaux de quartz obtenus. Mask lines were created by photolithography with a photosensitive resin, and then the quartz was etched chemically with a solution of hydrofluoric acid pH buffered. The Cr / Au / fluoropolymer stacks were then removed from the obtained quartz pieces.
A. Matériel et équipementA. Material and equipment
[0061] Le substrat qui a été utilisé dans cet exemple est une plaquette de quartz de 130 microns d’épaisseur et de 4 cm de côté, recouverte par l’empilement d’une couche de chrome de 30 nm, et d’une couche d’or de 175 nm déposée par pulvérisation. The substrate that was used in this example is a quartz wafer 130 microns thick and 4 cm side, covered by the stack of a layer of chromium 30 nm, and a layer 175 nm gold deposited by sputtering.
[0062] Une solution de poly(fluorure de vinylidène) (Product Number 182702 fabriqué par Sigma Aldrich) à une concentration massique de 2% a été préparée par dissolution de 2 g de polymère dans 100 mL de DMF (Dimethylformamide). A solution of poly (vinylidene fluoride) (Product Number 182702 manufactured by Sigma Aldrich) at a mass concentration of 2% was prepared by dissolving 2 g of polymer in 100 mL of DMF (dimethylformamide).
[0063] La solution de gravure chimique comprenait le mélange d’une solution aqueuse de HF à 49% et d’une solution aqueuse de NH4F concentrée à 40%, dans un ratio volumique 1:5. The chemical etching solution included the mixture of a 49% aqueous solution of HF and a 40% aqueous solution of NH4F, in a 1: 5 volume ratio.
B-ProcédéB-method
i) Enduction du support avec un polymère PVDF et Immobilisation par traitement radiatifi) Coating of the support with a PVDF polymer and immobilization by radiative treatment
[0064] La surface d’un substrat de quartz monocristal recouvert d’un film de chrome et d’un film d’or a été nettoyée par traitement UV-ozone pendant 5 minutes pour éliminer toute trace de contamination organique. The surface of a monocrystal quartz substrate covered with a chromium film and a gold film was cleaned by UV-ozone treatment for 5 minutes to remove any trace of organic contamination.
[0065] La solution de PVDF a été déposée de manière homogène sur le substrat à l’aide d’une micro-pipette pour obtenir une enduction complète de la surface de la couche d’or. Le solvant a ensuite été évaporé à chaud dans le but d’obtenir un film homogène et couvrant de PVDF avec une épaisseur typiquement de 80 à 100 nm. The PVDF solution was deposited homogeneously on the substrate using a micro-pipette to obtain a complete coating of the surface of the gold layer. The solvent was then evaporated hot in order to obtain a homogeneous film covering PVDF with a thickness typically of 80 to 100 nm.
[0066] Le film de PVDF a ensuite été irradié par rayonnement VUV (Vacuum Ultraviolet) pendant 3 minutes à une distance de 7 cm dans une atmosphère purgée d’air avec un balayage d’azote sec, afin de le greffer par insolation. The PVDF film was then irradiated by VUV (Vacuum Ultraviolet) radiation for 3 minutes at a distance of 7 cm in an air purged atmosphere with a dry nitrogen sweep, in order to graft it by insolation.
[0067] Les caractéristiques de la lampe VUV étaient les suivantes: – lampe Excimer de la marque OSRAM modèle XERADEX, – puissance 140 W, – longueur d’onde allant de 150 nm à 190 nm avec un maximum à 172 nm. The characteristics of the VUV lamp were as follows: - Excimer lamp of OSRAM brand XERADEX model, - power 140 W, Wavelength ranging from 150 nm to 190 nm with a maximum at 172 nm.
ii) Formation des lianes de gravureii) Formation of engraving vines
[0068] Après dépôt de la couche de polymère fluoré, des lignes disjointes définissant le motif du masque de gravure du quartz ont été formées dans la couche continue Cr/Au/PVDF qui recouvre toute la surface du quartz. Ces lignes ont été réalisées par un procédé de photolithographie classique mettant en œuvre une résine photosensible. After deposition of the fluoropolymer layer, disjoint lines defining the pattern of the quartz etching mask were formed in the continuous layer Cr / Au / PVDF which covers the entire surface of the quartz. These lines were made by a conventional photolithography process using a photosensitive resin.
[0069] Dans une première étape du procédé de photolithographie, une couche de résine photosensible a été déposée sur toute la surface du film formant le masque comprenant le polymère fluoré en utilisant une méthode de revêtement par centrifugation (spin coating) – à 2000 rpm pendant 30 secondes – de manière à déposer un film d’une épaisseur de résine d’environ 5 microns. In a first step of the photolithography process, a layer of photoresist was deposited on the entire surface of the film forming the mask comprising the fluoropolymer using a spin coating method - at 2000 rpm for 30 seconds - so as to deposit a film with a resin thickness of about 5 microns.
[0070] On a ensuite fait subir à la résine déposée sur le film de polymère fluoré, un traitement de durcissement thermique dans un four à circulation d’air à 90 °C. Selon le procédé de lithographie, une pièce d’empreinte opaque a ensuite été disposée parallèlement à la surface du substrat de quartz intégralement recouverte par l’empilement Cr/Au/PVDF/résine photosensible, le chrome étant en contact avec le substrat. The resin deposited on the fluoropolymer film was then subjected to a heat-curing treatment in an air circulation oven at 90.degree. According to the lithography method, an opaque impression piece was then placed parallel to the surface of the quartz substrate integrally covered by the Cr / Au / PVDF / photosensitive resin stack, the chromium being in contact with the substrate.
[0071] Le substrat a ensuite été exposé à la lumière de telle sorte que seules les parties du matériau photosensible qui avaient été exposées à la lumière ont été révélées par un solvant pour laisser affleurer des lignes d’or/PVDF selon un motif complémentaire de celui de la pièce d’empreinte. Une intensité de 50 à 60 mJ/cm<2>a été fixée. The substrate was then exposed to light so that only those portions of the photosensitive material which had been exposed to the light were revealed by a solvent to allow flush gold / PVDF lines in a complementary pattern. that of the impression room. An intensity of 50 to 60 mJ / cm <2> was set.
iii) Gravure du quartziii) Engraving quartz
[0072] La gravure du quartz est effectuée en immergeant le substrat de quartz pendant 4 heures dans la solution de gravure décrite précédemment portée à 80 °C. The etching of the quartz is carried out by immersing the quartz substrate for 4 hours in the etching solution described above raised to 80 ° C.
[0073] Le masque de gravure a ensuite été retiré en répétant les étapes utilisées lors de la définition du motif dudit masque. The etching mask was then removed by repeating the steps used in the definition of the pattern of said mask.
C. Résultats obtenusC. Results achieved
[0074] La qualité des diapasons de quartz a été vérifiée par inspection au microscope électronique. La densité des trous dans le quartz est largement réduite. Le polymère permet de protéger le quartz en diminuant la porosité de l’or aux ions fluorure pendant la gravure chimique du quartz, et donc de réduire le nombre de défauts dans le quartz après gravure chimique. L’aspect des morceaux de quartz obtenus, observé au microscope, est représenté à la fig. 1 . Dans le procédé de l’invention, la couche d’or n’est pas corrodée par la solution de gravure. The quality of quartz tunasons was verified by inspection under the electron microscope. The density of holes in quartz is greatly reduced. The polymer makes it possible to protect the quartz by decreasing the porosity of the gold with the fluoride ions during the chemical etching of the quartz, and thus to reduce the number of defects in the quartz after chemical etching. The appearance of the quartz pieces obtained, observed under a microscope, is represented in FIG. 1. In the process of the invention, the gold layer is not corroded by the etching solution.
[0075] On peut réaliser le même exemple en utilisant une plaquette de quartz qui n’a pas été recouverte d’or et de chrome. Le polymère fluoré constitue dans ce cas le masque de gravure. Après formation des lignes de polymère fluoré par photolithographie, et gravure chimique du quartz, la densité de trous résultant dans la pièce réalisée en quartz devrait être largement réduite également. Le polymère devrait permettre de protéger le quartz, et de s’affranchir d’un dépôt Cr/Au. We can achieve the same example using a quartz plate that has not been covered with gold and chrome. In this case, the fluoropolymer constitutes the etching mask. After formation of the fluorinated polymer lines by photolithography, and chemical etching of the quartz, the resulting hole density in the piece made of quartz should be greatly reduced as well. The polymer should help protect the quartz, and to overcome a deposit Cr / Au.
EXEMPLE 2; PVDF comme masque de gravure pour la gravure chimique de substrate de quartzEXAMPLE 2 PVDF as an etching mask for quartz substrate chemical etching
A. Matériel et équipementA. Material and equipment
[0076] Le substrat utilisé dans cet exemple est une plaquette de quartz de 130 microns d’épaisseur et de 4 cm de côté. Dans cet exemple, on utilise le PVDF comme masque de gravure du quartz. Le substrat de quartz n’est pas recouvert d’or. The substrate used in this example is a quartz wafer 130 microns thick and 4 cm side. In this example, the PVDF is used as a quartz etching mask. The quartz substrate is not covered with gold.
[0077] La solution de PVDF et la solution de gravure sont les mêmes que celles décrites dans l’Exemple 1. The PVDF solution and the etching solution are the same as those described in Example 1.
B-ProcédéB-method
[0078] Les conditions de dépôt du polymère PVDF sont identiques à celles décrites dans l’Exemple 1. The PVDF polymer deposition conditions are identical to those described in Example 1.
[0079] Après dépôt du polymère PVDF sur le substrat de quartz, des lignes permettant de décrire le motif de gravure du quartz sont réalisées par photolithographie. After depositing the PVDF polymer on the quartz substrate, lines for describing the etching pattern of the quartz are made by photolithography.
[0080] Après avoir gravé le quartz dans les mêmes conditions que celles de l’Exemple 1 et retiré les lignes de polymère, les morceaux de quartz sont observés par microscopie électronique pour détecter les défauts éventuels. After having etched the quartz under the same conditions as those of Example 1 and removed the polymer lines, the quartz pieces are observed by electron microscopy to detect any defects.
C-Résultats obtenusC-Results obtained
[0081] Le polymère déposé sur le substrat de quartz possède des propriétés de résistance aux composés fluorés présents dans la solution BOE. Après formation des lignes de polymères et gravure chimique du quartz, la densité de trous résultant dans le quartz est largement réduite. Le polymère permet de protéger correctement le quartz, de servir comme masque de gravure chimique. The polymer deposited on the quartz substrate has properties of resistance to fluorinated compounds present in the BOE solution. After formation of polymer lines and chemical etching of quartz, the resulting hole density in quartz is greatly reduced. The polymer helps to protect the quartz properly, to serve as a chemical etching mask.
EXEMPLE COMPARATIF: Or constituant un masque de gravure pour la gravure chimique de substrats de quartzCOMPARATIVE EXAMPLE Gold constituting an etching mask for the chemical etching of quartz substrates
[0082] On a reproduit l’exemple 1, sans utiliser le polymère PVDF. Example 1 was reproduced without using the PVDF polymer.
[0083] En raison de la porosité de l’empilement chrome/or, de nombreux trous ont été observés à l’interface chrome/quartz après gravure chimique. L’importante densité de trous créée des défauts dans le quartz ce qui risque d’abaisser drastiquement le rendement de production des diapasons de quartz. Due to the porosity of the chrome / gold stack, many holes were observed at the chrome / quartz interface after chemical etching. The high density of holes creates defects in the quartz which may drastically lower the output of the quartz tuning fork.
[0084] L’aspect des morceaux de quartz obtenus, observé au microscope, est représenté à la fig. 2 . The appearance of the pieces of quartz obtained, observed under the microscope, is shown in FIG. 2.
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US8635887B2 (en) * | 2011-08-10 | 2014-01-28 | Corning Incorporated | Methods for separating glass substrate sheets by laser-formed grooves |
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2015
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