CH720935A1 - Manufacturing process of silicon watch components on an SOI wafer - Google Patents
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Abstract
Un procédé de fabrication d'une pluralité de composants horlogers dans une plaquette de fabrication de type SOI (10) est divulgué. La plaquette SOI comprend une couche de support en silicium, une couche de travail (30) en silicium, et une couche enterrée (40) en oxyde de silicium séparant les deux couches de silicium (30). Le procédé comprend les étapes de : (a) structurer la couche de support en éliminant une partie de ladite couche pour obtenir une plaquette SOI modifiée (10') comprenant une couche de support structurée (20'), la couche de support structurée (20') comprenant des structures (22) qui sont intactes aux endroits de la plaquette où le matériau de la couche de support n'a pas été éliminée, lesdites structures (22) définissant entre elles des régions dans lesquelles le matériau de la couche de support a été éliminé pour exposer la couche d'oxyde enterrée (40) dans ces régions ; (b) former les composants dans la couche de travail (30) de la plaquette SOI modifiée, la couche de support structurée (20') agissant comme support lors de cette formation, les composants se trouvant dans des zones de la couche de travail (30) qui sont alignées du moins en partie avec des régions éliminées de la couche de support structurée (20') ; libérer les composants formés à l'étape (b) en éliminant au moins les parties de la couche d'oxyde enterrée (40) qui se trouvent en dessous des composants horlogers; et (d) réaliser au moins une étape de fabrication subséquente sur les composants libérés.A method of fabricating a plurality of horological components in an SOI-type fabrication wafer (10) is disclosed. The SOI wafer comprises a silicon support layer, a silicon working layer (30), and a buried silicon oxide layer (40) separating the two silicon layers (30). The method comprises the steps of: (a) structuring the support layer by removing a portion of said layer to obtain a modified SOI wafer (10') comprising a structured support layer (20'), the structured support layer (20') comprising structures (22) that are intact at locations on the wafer where the support layer material has not been removed, said structures (22) defining therebetween regions in which the support layer material has been removed to expose the buried oxide layer (40) in those regions; (b) forming the components in the working layer (30) of the modified SOI wafer, the structured support layer (20') acting as a support during this formation, the components being located in areas of the working layer (30) which are aligned at least in part with eliminated regions of the structured support layer (20'); releasing the components formed in step (b) by removing at least the parts of the buried oxide layer (40) which are located below the watch components; and (d) performing at least one subsequent manufacturing step on the released components.
Description
Domaine techniqueTechnical field
[0001] L'invention concerne un procédé de fabrication de composants horlogers en silicium sur une plaquette de type „silicon-on-insulator“ (SOI), une telle plaquette comprenant une couche de support en silicium, une couche de travail en silicium dans laquelle les composants sont fabriqués, et une couche d'oxyde de silicium séparant ces deux couches. Un tel procédé de fabrication comprend généralement des étapes de microfabrication incluant la lithographie et la gravure sèche ou humide des couches de la plaquette. [0001] The invention relates to a method for manufacturing silicon watch components on a silicon-on-insulator (SOI) wafer, such a wafer comprising a silicon support layer, a silicon working layer in which the components are manufactured, and a silicon oxide layer separating these two layers. Such a manufacturing method generally comprises microfabrication steps including lithography and dry or wet etching of the layers of the wafer.
Etat de la techniqueState of the art
[0002] La fabrication de composants horlogers en silicium tels que des ressorts spiraux, des roues et des ancres en utilisant des procédés de microfabrication est bien connue. Avantageusement, plusieurs centaines de composants horlogers peuvent être fabriqués sur une seule plaquette (en anglais „wafer“) en utilisant ces technologies. Il est, par exemple, connu de réaliser une pluralité de résonateurs en silicium avec une très haute précision en utilisant des procédés de photolithographie et d'usinage gravure dans une plaquette en silicium. Les procédés de réalisation de ces résonateurs mécaniques utilisent généralement des plaquettes de silicium monocristallin, mais des plaquettes en silicium polycristallin ou amorphe sont également utilisables. [0002] The manufacture of silicon watch components such as balance springs, wheels and anchors using microfabrication processes is well known. Advantageously, several hundred watch components can be manufactured on a single wafer using these technologies. It is, for example, known to produce a plurality of silicon resonators with very high precision using photolithography and etching machining processes in a silicon wafer. The processes for producing these mechanical resonators generally use monocrystalline silicon wafers, but polycrystalline or amorphous silicon wafers can also be used.
[0003] Le silicium est un matériau diamagnétique, et son utilisation pour la fabrication de composants horlogers, et notamment pour les composants de l'organe régulateur d'un mouvement de montre mécanique, est avantageuse car aucun effet rémanent n'est observé après l'exposition de ce matériau aux champs magnétiques. Quand les composants horlogers sont réalisés à partir d'une plaquette en silicium monocristallin, l'une quelconque des trois orientations cristallines <100>, <110> ou <111> peut être utilisée. [0003] Silicon is a diamagnetic material, and its use for the manufacture of watch components, and in particular for the components of the regulating organ of a mechanical watch movement, is advantageous because no residual effect is observed after exposure of this material to magnetic fields. When the watch components are made from a monocrystalline silicon wafer, any one of the three crystal orientations <100>, <110> or <111> can be used.
[0004] Les plaquettes de silicium sont proposées sous forme de galette simple, par exemple des wafers de type SSP („Single Side polished“ en anglais) ou de type DSP („Dual Side Polished“ en anglais). Cependant, ce sont les palettes SOI („silicon-on-insulator“ en anglais) qui sont le plus souvent utilisées pour la fabrication de composants horlogers. Une plaquette SOI comprend une couche de travail en silicium (la couche „device“ en anglais) dans laquelle les composants horlogers sont fabriqués, une couche de support en silicium qui sert de substrat ou de support lors de la fabrication des composants (la couche „handle“ en anglais), et une couche d'oxyde de silicium enterrée qui se trouve entre les deux couches de silicium (la couche „buried oxide layer“ ou BOX en anglais). [0004] Silicon wafers are available in the form of a single wafer, for example SSP (Single Side Polished) or DSP (Dual Side Polished) wafers. However, SOI (silicon-on-insulator) wafers are most often used for the manufacture of watch components. An SOI wafer comprises a silicon working layer (the "device" layer) in which the watch components are manufactured, a silicon support layer which serves as a substrate or support during the manufacture of the components (the "handle" layer), and a buried silicon oxide layer which is located between the two silicon layers (the "buried oxide layer" or BOX layer).
[0005] Après les étapes de lithographie et de gravure pour initialement former les composants horlogers dans la couche de travail, ces derniers sont normalement libérés de la couche de support et de la couche d'oxyde enterrée de la plaquette SOI afin de faciliter des étapes de fabrication subséquentes. De cette manière, après la libération, les composants horlogers ne sont supportés structurellement que par des ponts fins qui les maintiennent attachés aux parties subsistantes de la couche de travail, ce qui permet notamment d'effectuer les étapes de fabrication subséquentes sur l'ensemble de la surface externe des composants de la plaquette. Les étapes subséquentes peuvent comprendre des étapes d'oxydation et désoxydation, soit pour le lissage des surfaces des composants, soit pour ajuster les dimensions des composants (par exemple afin de corriger la raideur quand les composants sont des spiraux ou des résonateurs) et/ou des étapes d'oxydation pour former une couche externe d'oxyde de silicium sur les composants aux fins d'une compensation thermique et/ou d'un renforcement mécanique. [0005] After the lithography and etching steps to initially form the watch components in the working layer, the latter are normally released from the support layer and the buried oxide layer of the SOI wafer in order to facilitate subsequent manufacturing steps. In this way, after the release, the watch components are structurally supported only by thin bridges which keep them attached to the remaining parts of the working layer, which notably allows the subsequent manufacturing steps to be carried out on the entire external surface of the components of the wafer. The subsequent steps may comprise oxidation and deoxidation steps, either for smoothing the surfaces of the components or for adjusting the dimensions of the components (for example in order to correct the stiffness when the components are hairsprings or resonators) and/or oxidation steps to form an external layer of silicon oxide on the components for the purposes of thermal compensation and/or mechanical reinforcement.
[0006] La libération des composants horlogers sur une plaquette SOI peut être réalisée par différentes méthodes. Dans un exemple illustré par le document WO2021053501, avant la libération, les composants sont d'abord protégés par une couche d'oxyde, par exemple en oxyde de silicium, déposée par un dépôt de type CVD („chemical vapor deposition“ en anglais), ALD („atomic layer deposition“ en anglais) ou PVD („physical vapor deposition“ en anglais) ou formée par une étape d'oxydation. Par la suite, les composants sont libérés, voire désolidarisés et dégagés, de la couche de support d'abord en ouvrant la couche d'oxyde par gravure plasma ou en utilisant une gravure sélective à base de vapeur d'acide hydrofluorique (HF), et par la suite en exposant toute la plaquette à un bain d'hydroxyde de potassium (KOH) pour réaliser une gravure anisotrope du silicium en dessous des composants protégés et sur une certaine épaisseur de la couche de support. De cette manière, des poches sont formées en dessous des composants pour créer de la place pour mieux gérer et faciliter des étapes de fabrications subséquentes sur les composants. [0006] The release of watch components on an SOI wafer can be carried out by different methods. In an example illustrated by document WO2021053501, before release, the components are first protected by an oxide layer, for example silicon oxide, deposited by a CVD (chemical vapor deposition), ALD (atomic layer deposition) or PVD (physical vapor deposition) type deposition or formed by an oxidation step. Subsequently, the components are released, or even separated and disengaged, from the support layer first by opening the oxide layer by plasma etching or by using selective etching based on hydrofluoric acid (HF) vapor, and subsequently by exposing the entire wafer to a potassium hydroxide (KOH) bath to perform anisotropic etching of the silicon below the protected components and over a certain thickness of the support layer. In this way, pockets are formed below the components to create space to better manage and facilitate subsequent manufacturing steps on the components.
[0007] Une alternative à l'approche de libération ci-dessus est décrite dans les documents de brevet JP2017219520 et WO2019180177. Dans ce cas aussi, après la formation des composants par gravure, on fait croître une couche d'oxyde de silicium en surface du silicium. Cette couche d'oxyde sert de protection pour les composants formés et si elle est formée par oxydation thermique elle se forme également sur la couche de support. Par la suite, on réalise une photolithographie et une gravure pour exposer le silicium de la couche de support et graver la couche de support en l'attaquant par la face opposée aux composants, ce qui enlève la couche de support en dessous des composants. Pour terminer la libération selon cette alternative, on élimine la couche enterrée du wafer SOI en dessous des composants ainsi que la couche de protection sur les composants. [0007] An alternative to the above release approach is described in patent documents JP2017219520 and WO2019180177. In this case too, after the formation of the components by etching, a silicon oxide layer is grown on the surface of the silicon. This oxide layer serves as protection for the formed components and if it is formed by thermal oxidation it also forms on the support layer. Subsequently, photolithography and etching are carried out to expose the silicon of the support layer and the support layer is etched by etching it from the face opposite the components, which removes the support layer below the components. To complete the release according to this alternative, the buried layer of the SOI wafer below the components as well as the protective layer on the components are removed.
[0008] Selon encore une autre alternative de libération décrite dans le document WO2019180596, après la formation des composants, la couche de travail (ou une partie de cette couche comprenant les composants) est séparée de la couche de support. Cette séparation peut être mise en œuvre par la gravure d'une saignée entourant les composants ainsi que des ouvertures dans la couche de travail. Par la suite, la couche d'oxyde enterrée est gravée avec de la vapeur d'acide hydrofluorique (HF) qui passe au travers des ouvertures dans la couche de travail, et la partie de la couche de travail définie par la saignée est séparée de la couche de support de la plaquette SOI. Dans cette dernière approche de libération, puisque la couche de travail est beaucoup plus fine et fragile que la couche de support, la réalisation d'étapes de fabrication subséquentes est plus délicate et risquée car elles sont effectuées sans le bénéfice de la couche de support, même pour le cas où elle est partiellement éliminée. [0008] According to yet another release alternative described in WO2019180596, after the formation of the components, the working layer (or a portion of this layer comprising the components) is separated from the support layer. This separation can be implemented by etching a groove surrounding the components as well as openings in the working layer. Subsequently, the buried oxide layer is etched with hydrofluoric acid (HF) vapor passing through the openings in the working layer, and the portion of the working layer defined by the groove is separated from the support layer of the SOI wafer. In this latter release approach, since the working layer is much thinner and more fragile than the support layer, performing subsequent fabrication steps is more delicate and risky because they are performed without the benefit of the support layer, even for the case where it is partially removed.
[0009] Avec toutes les étapes antérieures de libération décrites ci-dessus, on risque d'endommager ou d'altérer de manière inattendue les composants horlogers déjà formés dans la couche de travail avant la libération. Cela est le cas malgré l'utilisation d'une couche déposée autour des composants formés afin de les protéger. De plus, une telle couche de protection implique également des étapes supplémentaires pour sa formation et son élimination, ce qui rend la libération plus longue et complexe. [0009] With all the above-described prior release steps, there is a risk of unexpectedly damaging or altering the watch components already formed in the working layer before release. This is the case despite the use of a layer deposited around the formed components in order to protect them. In addition, such a protective layer also involves additional steps for its formation and removal, which makes the release more time-consuming and complex.
Bref résumé de l'inventionBrief summary of the invention
[0010] Un but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'une pluralité de résonateurs mécaniques sur une plaquette SOI, qui permet d'éviter ou de pallier les inconvénients ci-dessus, ou en tout cas d'offrir un meilleur compromis entre ces inconvénients. [0010] An aim of the present invention is to propose a method for manufacturing a plurality of mechanical resonators on an SOI wafer, which makes it possible to avoid or overcome the above drawbacks, or in any case to offer a better compromise between these drawbacks.
[0011] En particulier, ce but est au moins partiellement atteint en proposant un nouveau procédé de fabrication selon lequel une partie de la couche de support de la plaquette SOI nécessaire pour la libération est éliminée avant la formation des composants horlogers dans la couche de travail. Ainsi, selon un aspect, la présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pluralité de composants horlogers dans une plaquette de fabrication de type SOI, la plaquette SOI comprenant une couche de support en silicium, une couche de travail en silicium, et une couche enterrée en oxyde de silicium séparant les deux couches de silicium, c'est-à-dire que la couche enterrée sépare la couche de support en silicium de la couche de travail en silicium. Le procédé comprend les étapes de : (a) structurer la couche de support en éliminant une partie de ladite couche pour obtenir une plaquette SOI modifiée comprenant une couche de support structurée, la couche de support structurée comprenant des structures qui sont intactes aux endroits de la plaquette où le matériau de la couche de support n'a pas été éliminée, lesdites structures définissant entre elles des régions dans lesquelles le matériau de la couche de support a été éliminé pour exposer la couche d'oxyde enterrée dans ces régions ; (b) former les composants dans la couche de travail de la plaquette SOI modifiée, la couche de support structurée agissant comme support lors de cette formation, les composants se trouvant dans des zones de la couche de travail qui sont alignées du moins en partie avec des régions éliminées de la couche de support structurée ; (c) libérer les composants formés à l'étape (b) en éliminant au moins les parties de la couche d'oxyde enterrée qui se trouvent en dessous des composants horlogers; et (d) réaliser au moins une étape de fabrication subséquente sur les composants libérés. [0011] In particular, this aim is at least partially achieved by proposing a novel manufacturing method according to which a portion of the support layer of the SOI wafer required for release is removed before the formation of the watch components in the working layer. Thus, according to one aspect, the present invention relates to a method for manufacturing a plurality of watch components in an SOI manufacturing wafer, the SOI wafer comprising a silicon support layer, a silicon working layer, and a buried silicon oxide layer separating the two silicon layers, i.e. the buried layer separates the silicon support layer from the silicon working layer. The method comprises the steps of: (a) structuring the support layer by removing a portion of said layer to obtain a modified SOI wafer comprising a structured support layer, the structured support layer comprising structures that are intact at locations on the wafer where the support layer material has not been removed, said structures defining between them regions in which the support layer material has been removed to expose the buried oxide layer in these regions; (b) forming the components in the working layer of the modified SOI wafer, the structured support layer acting as a support during this formation, the components being located in areas of the working layer that are at least partly aligned with removed regions of the structured support layer; (c) releasing the components formed in step (b) by removing at least those portions of the buried oxide layer that are located below the watch components; and (d) performing at least one subsequent manufacturing step on the released components.
[0012] Avantageusement l'étape (c) de libérer les composants peut être réalisée sans structurer de nouveau la couche de support structurée, et l'au moins une étape de fabrication subséquente de l'étape (d) peut être réalisée lorsque les composants libérés sont toujours attachés à la plaquette SOI résultante de l'étape (b). D'autres caractéristiques avantageuses et privilégiées du procédé de fabrication sont précisées dans la description et les sous-revendications ci-dessous. [0012] Advantageously, step (c) of releasing the components can be carried out without re-structuring the structured support layer, and the at least one subsequent manufacturing step of step (d) can be carried out while the released components are still attached to the SOI wafer resulting from step (b). Other advantageous and preferred features of the manufacturing method are specified in the description and subclaims below.
Brève description des figuresBrief description of the figures
[0013] Des exemples de mise en œuvre de l'invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles : • Les figures 1a-1i illustrent schématiquement une première série d'étapes de fabrication sur une couche de support d'une plaquette SOI selon un mode de réalisation de l'invention ; • La figure 2 est une vue de dessus de la couche de support après les étapes de la figure 1 selon un mode de réalisation de l'invention ; • Les figures 2a-2C illustrent trois variantes pour le mode de réalisation de la figure 2 ; • La figure 3 est une vue de dessus de la couche de support après les étapes de la figure 1 selon un autre mode de réalisation de l'invention ; • La figure 4 est une vue de dessus de la couche de support après les étapes de la figure 1 selon un autre mode de réalisation de l'invention ; • La figure 5 est une vue de dessus de la couche de support après les étapes de la figure 1 selon un autre mode de réalisation de l'invention ; • Les figures 6a-6i illustrent schématiquement une deuxième série d'étapes de fabrication sur une couche de travail d'une plaquette SOI selon un mode de réalisation de l'invention ; et • La figure 7 est une vue en section d'une plaquette SOI où des composants horlogers ont été libérés après les étapes des figures 1 et 6 selon un mode de réalisation de l'invention.[0013] Examples of implementation of the invention are indicated in the description illustrated by the appended figures in which: • Figures 1a-1i schematically illustrate a first series of manufacturing steps on a support layer of an SOI wafer according to an embodiment of the invention; • Figure 2 is a top view of the support layer after the steps of Figure 1 according to an embodiment of the invention; • Figures 2a-2C illustrate three variants for the embodiment of Figure 2; • Figure 3 is a top view of the support layer after the steps of Figure 1 according to another embodiment of the invention; • Figure 4 is a top view of the support layer after the steps of Figure 1 according to another embodiment of the invention; • Figure 5 is a top view of the support layer after the steps of Figure 1 according to another embodiment of the invention; • Figures 6a-6i schematically illustrate a second series of manufacturing steps on a working layer of an SOI wafer according to an embodiment of the invention; and • Figure 7 is a sectional view of an SOI wafer where watch components have been released after the steps of Figures 1 and 6 according to an embodiment of the invention.
Exemples de mode de réalisation de l'inventionExamples of embodiments of the invention
[0014] Dans tout ce qui suit, les orientations sont les orientations des figures. En particulier, les termes comme „supérieur“, „inférieur“, „gauche“, „droit“, „dessus“, „dessous“, „vers l'avant“ et „vers l'arrière“ s'entendent généralement par rapport au sens de représentation des figures. [0014] In all that follows, the orientations are the orientations of the figures. In particular, terms such as "upper", "lower", "left", "right", "above", "below", "forward" and "backward" are generally understood to refer to the direction of representation of the figures.
[0015] Selon le procédé de fabrication de la présente invention, les composants horlogers sont formés dans une couche de travail d'une plaquette SOI de manière connue. Cependant, pour faciliter la libération de ces composants horlogers de la couche de support de la plaquette SOI selon l'invention, on élimine une partie de la couche de support nécessaire pour la libération avant la formation des composants horlogers dans la couche de travail. Par conséquent on évite que les étapes de libération puissent affecter ou péjorer les composants horlogers déjà formés. Par ailleurs et de préférence, lors de la réalisation des étapes de fabrication subséquentes des composants horlogers après leur formation initiale, on peut toujours obtenir l'avantage structurelle de la présence de la couche de support partiellement éliminée. [0015] According to the manufacturing method of the present invention, the watch components are formed in a working layer of an SOI wafer in a known manner. However, to facilitate the release of these watch components from the support layer of the SOI wafer according to the invention, a portion of the support layer necessary for the release is eliminated before the formation of the watch components in the working layer. Consequently, it is avoided that the release steps may affect or worsen the watch components already formed. Furthermore and preferably, when carrying out the subsequent manufacturing steps of the watch components after their initial formation, it is still possible to obtain the structural advantage of the presence of the partially eliminated support layer.
[0016] Les figures 1a-1i illustrent une première série d'étapes de fabrication schématiques sur une couche de support d'une plaquette SOI selon un mode de réalisation de l'invention. Le procédé commence avec une plaquette SOI 10 illustrée à la figure 1a, cette plaquette comprenant une couche de support 20 en silicium, une couche de travail 30 en silicium, et une couche enterrée 40 séparant les deux couches de silicium 20, 30 en oxyde de silicium (notamment de SiO2). Le dessin n'est pas à l'échelle, mais à titre d'exemple, la couche de support 20 peut avoir une épaisseur de 500 µm, la couche de travail 30 peut avoir une épaisseur de 120 µm, et la couche d'oxyde 40 peut avoir une épaisseur de 2 µm. Les couches de support et de travail peuvent être du même type de silicium ou de types différents - par exemple de silicium monocristallin avec une orientation cristalline quelconque, du silicium polycristallin, ou du silicium amorphe. Les couches de silicium 20, 30 et notamment la couche de travail 30 peuvent être dopés type N ou type P. Par exemple, l'utilisation d'un silicium fortement dopé peut être avantageuse pour la fabrication des résonateurs car, par exemple, on constate une déformation moindre de la matière dopée lors de l'oxydation thermique sous certaines conditions. [0016] Figures 1a-1i illustrate a first series of schematic manufacturing steps on a support layer of an SOI wafer according to an embodiment of the invention. The method begins with an SOI wafer 10 illustrated in Figure 1a, this wafer comprising a support layer 20 made of silicon, a working layer 30 made of silicon, and a buried layer 40 separating the two silicon layers 20, 30 made of silicon oxide (in particular SiO2). The drawing is not to scale, but as an example, the support layer 20 may have a thickness of 500 µm, the working layer 30 may have a thickness of 120 µm, and the oxide layer 40 may have a thickness of 2 µm. The support and working layers may be of the same or different types of silicon - for example, monocrystalline silicon with any crystal orientation, polycrystalline silicon, or amorphous silicon. The silicon layers 20, 30 and in particular the working layer 30 may be N-type or P-type doped. For example, the use of heavily doped silicon may be advantageous for the manufacture of resonators because, for example, less deformation of the doped material is observed during thermal oxidation under certain conditions.
[0017] Contrairement aux procédés de fabrication de composants horlogers antérieurs, le procédé ne commence pas avec des étapes de fabrication effectuées sur la couche de travail 30, mais avec des étapes de fabrication effectuées sur la couche de support 20. Pour permettre cela, dans la figure 1b la plaquette 10 est retournée afin que la couche de travail 30 constitue le support quand la plaquette 10 est installée dans ou sur des équipements de lithographie et de gravure avec la couche de support 20 se trouvant maintenant en position de dessus. [0017] Unlike prior watch component manufacturing processes, the process does not begin with manufacturing steps performed on the working layer 30, but with manufacturing steps performed on the support layer 20. To enable this, in FIG. 1b the wafer 10 is turned over so that the working layer 30 constitutes the support when the wafer 10 is installed in or on lithography and etching equipment with the support layer 20 now in the top position.
[0018] Dans la figure 1c, une étape de lithographie commence avec la formation d'une couche d'oxyde de silicium 50 sur la surface de la couche de support 20. Par„ lithographie“, on entend l'ensemble des opérations permettant de transférer une image ou un motif sur ou au-dessus de la plaquette 10 vers cette dernière. La couche d'oxyde 50 peut par exemple avoir une épaisseur comprise entre 0.4 - 6 µm, et elle peut être formée par oxydation thermique ou alternativement par un dépôt de type PVD, CVD, ou ALD. Si la couche d'oxyde 50 est formée par un procédé de dépôt directionnel tel que le CVD ou le PVD, l'oxyde se forme uniquement sur la surface supérieure de la couche de support, tel qu'illustré à la figure 1c. Alternativement, si la couche d'oxyde 50 est formée par oxydation thermique, on remarque que l'oxyde 50 se forme généralement en même temps sur la surface de la couche de travail 30 (si cette dernière n'est pas couverte par un masque d'épargne) ou encore un second dépôt directionnel de type CVD ou PVD peut être effectue sur la surface de la couche de travail 30. De manière générale, la formation de la couche d'oxyde 50 avant le dépôt d'une couche de résine (voir la figure 1d) permet d'optimiser la gravure subséquente de motifs fins et profonds dans la couche de support 20. [0018] In FIG. 1c, a lithography step begins with the formation of a silicon oxide layer 50 on the surface of the support layer 20. By "lithography" is meant the set of operations for transferring an image or pattern onto or above the wafer 10 to the latter. The oxide layer 50 may for example have a thickness of between 0.4 - 6 µm, and it may be formed by thermal oxidation or alternatively by a PVD, CVD, or ALD type deposition. If the oxide layer 50 is formed by a directional deposition process such as CVD or PVD, the oxide is formed only on the upper surface of the support layer, as illustrated in FIG. 1c. Alternatively, if the oxide layer 50 is formed by thermal oxidation, it is noted that the oxide 50 is generally formed at the same time on the surface of the working layer 30 (if the latter is not covered by a resist mask) or a second directional deposition of CVD or PVD type can be carried out on the surface of the working layer 30. Generally speaking, the formation of the oxide layer 50 before the deposition of a resin layer (see FIG. 1d) makes it possible to optimize the subsequent etching of fine and deep patterns in the support layer 20.
[0019] A la figure 1d, la couche d'oxyde 50 est recouverte d'une couche de résine 60, qui est typiquement une résine photosensible de type positif ou négatif. Cette couche de résine peut avoir une épaisseur comprise entre 0.5 - 12 µm, à titre purement illustratif. Par la suite dans la figure 1e, la couche de résine 60 est structurée de préférence en utilisant une étape de photolithographie avec une source de lumière ultraviolette 80 ainsi que, par exemple, un masque d'exposition 70 tel qu'un photomasque. Un système de stepper et réticule peut également être utilisé pour l'étape de photolithographie. Dans l'exemple illustré, la couche 60 comprend une résine photosensible de type positif dont les parties 60E de la résine qui sont exposées à la lumière deviennent solubles dans un révélateur et les parties non exposées restent insolubles. [0019] In Figure 1d, the oxide layer 50 is covered with a resin layer 60, which is typically a positive or negative type photosensitive resin. This resin layer may have a thickness of between 0.5 - 12 µm, purely for illustrative purposes. Subsequently in Figure 1e, the resin layer 60 is preferably structured using a photolithography step with an ultraviolet light source 80 as well as, for example, an exposure mask 70 such as a photomask. A stepper and reticle system may also be used for the photolithography step. In the illustrated example, the layer 60 comprises a positive type photosensitive resin of which the parts 60E of the resin which are exposed to light become soluble in a developer and the unexposed parts remain insoluble.
[0020] Dans la figure 1f, la couche de résine 60 est ouverte après avoir été développée par un révélateur, notamment un solvant qui élimine les parties exposées 60E de la résine par voie chimique. Ensuite, à la figure 1g, les parties de la couche oxyde 50 qui se trouvaient en dessous des parties exposées 60E de la résine sont aussi retirées de la surface de la couche de support 20, par exemple en employant une gravure plasma sélective avec les gaz CH4/O2. L'utilisation d'une technique de gravure directionnelle est généralement privilégiée lors de cette étape car elle est plus précise, mais alternativement une gravure à base de vapeur d'acide hydrofluorique (HF) peut aussi être utilisée. [0020] In FIG. 1f, the resin layer 60 is opened after being developed by a developer, in particular a solvent which removes the exposed portions 60E of the resin by chemical means. Then, in FIG. 1g, the portions of the oxide layer 50 which were below the exposed portions 60E of the resin are also removed from the surface of the support layer 20, for example by using selective plasma etching with CH4/O2 gases. The use of a directional etching technique is generally preferred during this step because it is more precise, but alternatively an etching based on hydrofluoric acid vapor (HF) can also be used.
[0021] A l'étape illustrée à la figure 1h, après avoir éliminé ou retiré la partie restante de la couche de résine 60, la couche de support 20 est gravée au travers de la couche 50 structurée afin de former une couche de support structurée 20'. La gravure à l'étape de la figure 1h peut notamment être effectuée par une technique de gravure ionique réactive profonde (également connue sous l'acronyme DRIE pour „Deep Reactive Ion Etching“ en anglais). Alternativement, la structuration de la couche de support peut être réalisée par une opération de gravure humide/chimique anisotrope, par exemple en utilisant un bain d'hydroxyde de potassium (KOH) ou d'hydroxyde de tétraméthylammonium (TMAH). Une structuration par gravure humide/chimique peut notamment être plus rapide qu'une gravure ionique réactive profonde, mais la résolution dimensionnelle des structures gravées est généralement moins bonne. Si une opération de gravure humide/chimique anisotrope est employée, la couch d'oxyde 50 n'est normalement pas formée sur la surface de la couche de support 20 avant le dépôt de la résine 60 sur cette surface. [0021] In the step illustrated in FIG. 1h, after removing or removing the remaining portion of the resin layer 60, the support layer 20 is etched through the structured layer 50 to form a structured support layer 20'. The etching in the step of FIG. 1h may in particular be carried out by a deep reactive ion etching technique (also known by the acronym DRIE for "Deep Reactive Ion Etching" in English). Alternatively, the structuring of the support layer may be carried out by an anisotropic wet/chemical etching operation, for example using a potassium hydroxide (KOH) or tetramethylammonium hydroxide (TMAH) bath. Structuring by wet/chemical etching may in particular be faster than deep reactive ion etching, but the dimensional resolution of the etched structures is generally less good. If an anisotropic wet/chemical etching operation is employed, the oxide layer 50 is normally not formed on the surface of the support layer 20 until after the resin 60 is deposited on that surface.
[0022] Il est également possible pour la partie restante de la couche de résine 60 d'être toujours présente lors de l'étape de gravure (DRIE ou autre) de la couche de support 20. Cette partie restante de la couche de résine peut être retirée après la gravure, et dans ce cas la couche de support 20 est gravée au travers des deux couches 50, 60 structurées. A titre d'exemple, une résine positive peut être retirée par des solvants de type acétone ou diméthylsulfoxyde (DMSO) soit avant soit après l'étape de gravure. Pour une résine négative comme le SU-8, un plasma CF4/O2peut être employé pour son retrait. [0022] It is also possible for the remaining portion of the resin layer 60 to still be present during the etching step (DRIE or other) of the support layer 20. This remaining portion of the resin layer can be removed after the etching, and in this case the support layer 20 is etched through the two structured layers 50, 60. For example, a positive resin can be removed by solvents of the acetone or dimethyl sulfoxide (DMSO) type either before or after the etching step. For a negative resin such as SU-8, a CF4/O2 plasma can be used for its removal.
[0023] Après l'étape de gravure de la couche de support, il en résulte une plaquette SOI modifiée 10' comprenant la couche de support structurée 20'. Cette étape est illustrée à la figure 1i. Sur cette plaquette modifiée 10', après l'élimination de la résine 60 restante, la couche d'oxyde 50 qui se trouve toujours sur la surface principale des parties restantes de la couche de support structurée 20' (dans le cas d'une gravure ionique réactive profonde) est de préférence gardée pour la suite des opérations liées à la fabrication des composants horlogers. [0023] After the step of etching the support layer, a modified SOI wafer 10' comprising the structured support layer 20' results. This step is illustrated in FIG. 1i. On this modified wafer 10', after removal of the remaining resin 60, the oxide layer 50 which is still on the main surface of the remaining parts of the structured support layer 20' (in the case of deep reactive ion etching) is preferably kept for the rest of the operations related to the manufacture of the watch components.
[0024] De manière générale, la couche de support structurée 20' comprend des structures qui sont intactes aux endroits de la plaquette où le matériau de la couche de support n'a pas été éliminé. Ces structures définissent entre elles des régions dans lesquelles le matériau de la couche de support a été éliminé, exposant alors la couche d'oxyde enterrée 40 de la plaquette dans ces régions. Cette structuration ne peut pas endommager les composants horlogers qui ne sont pas encore formés, mais la couche de support structurée 20' facilitera la libération des composants horlogers qui seront formés ultérieurement dans la couche de travail 30, car les positions des futurs composants horlogers sont alignées (dans le sens vertical dans les vues de la figure 1) du moins en partie avec des régions dans lesquelles la couche de support structurée 20' a été éliminée. Comme il est décrit ci-dessous, la couche de support structurée 20' peut prendre différentes formes, mais dans tous les cas la plaquette SOI modifiée 10' comprenant cette couche de support structurée 20' est beaucoup mieux adaptée pour la libération subséquente des composants horlogers après leur formation. De plus, après la libération des composants horlogers, on peut garder le bénéfice de support structurel de la couche de support structurée 20' pour les étapes de fabrication qui auront lieu après cette libération. [0024] Generally, the structured support layer 20' comprises structures that are intact at locations on the wafer where the support layer material has not been removed. These structures define between them regions in which the support layer material has been removed, thereby exposing the buried oxide layer 40 of the wafer in these regions. This structuring cannot damage watch components that are not yet formed, but the structured support layer 20' will facilitate the release of watch components that will be formed later in the working layer 30, because the positions of the future watch components are aligned (in the vertical direction in the views of FIG. 1) at least in part with regions in which the structured support layer 20' has been removed. As described below, the structured support layer 20' can take different forms, but in all cases the modified SOI wafer 10' comprising this structured support layer 20' is much better suited for the subsequent release of the watch components after their formation. In addition, after the release of the watch components, the structural support benefit of the structured support layer 20' can be kept for the manufacturing steps that will take place after this release.
[0025] En se référant aux modes de réalisations des figures 2-5, la couche de support structurée 20' peut comprendre des structures 22 qui sont intactes où le matériau de la couche de support n'a pas été éliminé et qui se trouvent généralement à des endroits périphériques et internes de la plaquette. Les structures internes se trouvent vers l'intérieur par rapport aux structures périphériques. Ces structures 22 définissent entre elles les régions 24 dans lesquelles le matériau de la couche de support a été éliminé. La couche d'oxyde enterrée 40 de la plaquette est donc exposée dans ces régions 24. Dans les modes de réalisation illustrés, les structures 22 périphériques forment un ensemble annulaire monobloc, mais ces structures peuvent aussi être reparties de manière non continue le long de la périphérie circulaire de la couche de support structurée 20' sans être connectées ensemble. [0025] Referring to the embodiments of FIGS. 2-5, the structured support layer 20' may include structures 22 that are intact where the support layer material has not been removed and that are generally located at peripheral and internal locations of the wafer. The internal structures are located inwardly relative to the peripheral structures. These structures 22 define between them the regions 24 in which the support layer material has been removed. The buried oxide layer 40 of the wafer is thus exposed in these regions 24. In the illustrated embodiments, the peripheral structures 22 form a single-piece annular assembly, but these structures may also be distributed non-continuously along the circular periphery of the structured support layer 20' without being connected together.
[0026] Selon un mode de réalisation, la figure 2 est une vue de dessus (suivant la direction de la flèche F dans la figure 1i) de la couche de support structurée 20' de la plaquette SOI modifiée 10', après la réalisation des étapes de la figure 1. Dans cet exemple, des zones 25 qui correspondent aux positions futures des composants horlogers qui seront formés dans la couche de travail 30 sont alignées (dans le sens vertical dans les vues de la figure 1), du moins en partie, avec des régions 24. Comme illustré, chaque zone 25 peut avoir une forme (en coupe) circulaire délimitée par les structures 22, mais d'autres formes sont bien entendu possibles pour les zones. Par exemple, la forme de chaque zone 25 peut correspondre à la périphérie externe du futur composant horloger. Nonobstant sa forme, on peut considérer que la superficie des zones 25 est sensiblement égale, légèrement inférieure ou légèrement supérieure à la superficie de l'empreinte globale des futurs composants horlogers dans la couche de travail 30 de la plaquette. Par exemple, les zones 25 peuvent avoir une superficie qui est comprise entre 80%-120%, et de préférence entre 90-110%, de la superficie de l'empreinte globale des futurs composants dans la couche de travail 30. [0026] According to one embodiment, FIG. 2 is a top view (in the direction of the arrow F in FIG. 1i) of the structured support layer 20' of the modified SOI wafer 10', after the steps of FIG. 1 have been carried out. In this example, areas 25 that correspond to the future positions of the watch components that will be formed in the working layer 30 are aligned (in the vertical direction in the views of FIG. 1), at least in part, with regions 24. As illustrated, each area 25 may have a circular (sectional) shape delimited by the structures 22, but other shapes are of course possible for the areas. For example, the shape of each area 25 may correspond to the external periphery of the future watch component. Notwithstanding its shape, it can be considered that the surface area of the zones 25 is substantially equal to, slightly less than or slightly greater than the surface area of the overall imprint of the future watch components in the working layer 30 of the wafer. For example, the zones 25 may have a surface area that is between 80%-120%, and preferably between 90-110%, of the surface area of the overall imprint of the future components in the working layer 30.
[0027] Les figures 2a-2c montrent trois variantes possibles 25a-25c pour les zones 25. Dans la variante illustrée à la figure 2a, tout le matériau de la couche de support a été éliminé dans une zone 25a, la couche d'oxyde enterrée 40 étant exposée partout dans cette zone. Dans ce cas, la zone 25 ne comprend alors qu'une région 24 dans laquelle le matériau de la couche de support a été éliminé. La zone 25b illustrée à la figure 2b comprend, dans une partie centrale ou interne de cette zone, des structures 22 fines composées par le matériau de la couche de support toujours intacte. Par une structure „fine“, on entend une structure 22 ayant une épaisseur (c'est-à-dire sa plus petite dimension dans un plan parallèle au plan de la couche de support) de valeur similaire à la dimension la plus petite des composants, par exemple une épaisseur qui est inférieure ou égale à 100 µm et de préférence inférieure ou égale à 60 µm. Ces structures fines forment une maille dans la partie centrale de la zone 25b, par exemple en nid d'abeilles. Dans cet exemple, même si la couche d'oxyde enterrée 40 est exposée dans la grande majorité de la zone 25b, les structures 22 à l'intérieur de cette zone fournissent toujours un certain niveau de support pour les couches 30, 40 situées au-dessus, mais sans gêner la libération ultérieure des composants horlogers. Les structures 22 peuvent bien entendu être arrangées autrement, par exemple dans la forme d'une maille quelconque. La zone 25c illustrée à la figure 2c comprend également au moins une structure 22 à l'intérieur de la zone, mais dans ce cas, la zone 25c et ses structures 22 reprennent sensiblement la forme négative d'un des composants horlogers qui seront fabriqués ultérieurement dans la couche de travail 30. Dans l'exemple, une roue simple est utilisée pour représenter schématiquement le composant horloger avec une structure 22 au centre de la zone 25c, mais on comprend que la forme géométrique du composant serait normalement plus élaborée en pratique. Optionnellement, comme illustré dans la figure 2c, des structures 22 fines peuvent liées la structure 22 au centre de la zone 25C au reste de la couche de support structurée 20' pour stabilisation. [0027] Figures 2a-2c show three possible variants 25a-25c for the areas 25. In the variant illustrated in Figure 2a, all the material of the support layer has been removed in an area 25a, the buried oxide layer 40 being exposed throughout this area. In this case, the area 25 then comprises only a region 24 in which the material of the support layer has been removed. The area 25b illustrated in Figure 2b comprises, in a central or internal part of this area, fine structures 22 composed of the material of the support layer still intact. By a “thin” structure is meant a structure 22 having a thickness (i.e. its smallest dimension in a plane parallel to the plane of the support layer) of a value similar to the smallest dimension of the components, for example a thickness which is less than or equal to 100 µm and preferably less than or equal to 60 µm. These thin structures form a mesh in the central part of the zone 25b, for example in a honeycomb pattern. In this example, even if the buried oxide layer 40 is exposed in the vast majority of the zone 25b, the structures 22 within this zone still provide a certain level of support for the layers 30, 40 located above, but without hindering the subsequent release of the watch components. The structures 22 can of course be arranged differently, for example in the form of any mesh. The area 25c illustrated in FIG. 2c also includes at least one structure 22 within the area, but in this case, the area 25c and its structures 22 substantially take up the negative shape of one of the watch components that will be subsequently manufactured in the working layer 30. In the example, a simple wheel is used to schematically represent the watch component with a structure 22 in the center of the area 25c, but it is understood that the geometric shape of the component would normally be more elaborate in practice. Optionally, as illustrated in FIG. 2c, thin structures 22 may bond the structure 22 in the center of the area 25C to the remainder of the structured support layer 20' for stabilization.
[0028] La figure 3 montre une vue de dessus (suivant la direction de la flèche F dans la figure 1i) de la couche de support structurée 20' de la plaquette SOI modifiée 10' selon un autre mode de réalisation. Dans ce cas, la couche de support structurée comprend toujours les structures 22 périphériques comme dans le mode de réalisation précédent, mais les structures 22 internes forment une maille en nid d'abeilles sur le reste de la couche 20'. Entre la maille des structures, on trouve les régions 24 dans lesquelles le matériau de la couche de support a été éliminé, exposant la couche d'oxyde enterrée 40. Comme dans le mode de réalisation précédent et comme indiqué dans la figure 3, ces régions 24 peuvent être directement alignées (dans le sens vertical dans les vues de la figure 1) avec les zones 25 correspondant aux positions des futurs composants horlogers, mais cela n'est pas nécessaire et il suffit que les zones 25 sont alignées en partie avec des régions éliminées 24 de la couche de support structurée 20'. Néanmoins, de préférence, les structures 22 internes ne se chevauchent pas ou à peine avec ces zones 25 afin de ne pas affecter la libération ultérieure des composants horlogers. Cependant, si les structures 22 internes sont fines, cela n'est pas indispensable. Les structures 22 internes peuvent également être arrangées autrement, par exemple dans la forme d'une maille quelconque. [0028] Figure 3 shows a top view (in the direction of arrow F in Figure 1i) of the structured support layer 20' of the modified SOI wafer 10' according to another embodiment. In this case, the structured support layer still comprises the peripheral structures 22 as in the previous embodiment, but the internal structures 22 form a honeycomb mesh on the remainder of the layer 20'. Between the mesh of the structures are the regions 24 in which the material of the support layer has been removed, exposing the buried oxide layer 40. As in the previous embodiment and as shown in FIG. 3 , these regions 24 can be directly aligned (in the vertical direction in the views of FIG. 1 ) with the areas 25 corresponding to the positions of the future watch components, but this is not necessary and it is sufficient that the areas 25 are partly aligned with eliminated regions 24 of the structured support layer 20 '. Nevertheless, preferably, the internal structures 22 do not overlap or barely overlap with these areas 25 so as not to affect the subsequent release of the watch components. However, if the internal structures 22 are thin, this is not essential. The internal structures 22 can also be arranged differently, for example in the shape of any mesh.
[0029] Un autre mode de réalisation de la couche de support structurée 20' est illustré à la figure 4, qui montre encore une vue de dessus suivant la direction de la flèche F dans la figure 1i. Ici, des structures 22 internes sont arrangées en forme de rayons de roue reliant une structure 22 interne centrale, prenante une forme similaire à celle d'un moyeu, à des structures 22 périphériques qui sont similaires aux modes de réalisation précédents. Encore une fois, entre les structures 22, on trouve des régions 24 dans lesquelles le matériau de la couche de support a été éliminé, exposant la couche d'oxyde enterrée 40. De préférence, les structures 22 internes ne se chevauchent pas ou à peine avec les zones 25 (quelques-unes étant dessinées en pointillés dans la figure) correspondant aux positions des futurs composants horlogers afin de ne pas affecter leur libération ultérieure, mais si les structures 22 internes sont fines, cela n'est pas indispensable. [0029] Another embodiment of the structured support layer 20' is illustrated in Figure 4, which again shows a top view in the direction of the arrow F in Figure 1i. Here, internal structures 22 are arranged in the form of wheel spokes connecting a central internal structure 22, taking a shape similar to that of a hub, to peripheral structures 22 which are similar to the previous embodiments. Again, between the structures 22, there are regions 24 in which the material of the support layer has been removed, exposing the buried oxide layer 40. Preferably, the internal structures 22 do not overlap or barely overlap with the areas 25 (some of them being drawn in dotted lines in the figure) corresponding to the positions of the future watch components so as not to affect their subsequent release, but if the internal structures 22 are thin, this is not essential.
[0030] La figure 5 illustre encore un autre de mode de réalisation (en vue de dessus suivant la direction de la flèche F dans la figure 1i) de la couche de support structurée 20'. Dans cet exemple, on trouve encore des structures 22 périphériques qui sont similaires aux modes de réalisation précédents, mais les structures 22 internes sont arrangées en forme d'anneaux concentriques autour du centre de la plaquette. Des régions 24, également de forme annulaire, se trouvent entre les structures 22 et dans ces régions, le matériau de la couche de support a été éliminé pour exposer la couche d'oxyde enterrée 40. De nouveau, de préférence, les structures 22 internes ne se chevauchent pas ou à peine avec les zones 25 (quelques-unes étant dessinées en pointillés dans la figure) correspondant aux positions des futurs composants horlogers afin de ne pas affecter leur libération ultérieure, mais si les structures 22 internes sont fines, cela n'est pas indispensable. [0030] Figure 5 illustrates yet another embodiment (in top view along the direction of arrow F in Figure 1i) of the structured support layer 20'. In this example, there are still peripheral structures 22 which are similar to the previous embodiments, but the internal structures 22 are arranged in the form of concentric rings around the center of the wafer. Regions 24, also annular in shape, are located between the structures 22 and in these regions, the material of the support layer has been removed to expose the buried oxide layer 40. Again, preferably, the internal structures 22 do not overlap or barely overlap with the areas 25 (some of them being drawn in dotted lines in the figure) corresponding to the positions of the future watch components so as not to affect their subsequent release, but if the internal structures 22 are thin, this is not essential.
[0031] Bien entendu, d'autres formes de la couche de support structurée 20' sont possibles. Par exemple, les modes de réalisation décrits ci-dessus peuvent être adaptés pour supprimer les structures périphériques 22, du moins en partie, le long de la périphérie circulaire de la couche de support structurée 20'. Selon un autre exemple, la couche de support structurée 20' peut ne comporter que des structures 22 périphériques, toute sa partie intérieure ayant été éliminée. Les différentes formes de structures 22 des modes de réalisation ci-dessus peuvent également être combinées ensemble. Par exemple, en introduisant un maillage de structures 22 fines entre les structures plus épaisses des figures 4 ou 5. Ce qui importe, c'est que les régions éliminées 24 de la couche de support structurée 20' facilitent la libération ultérieure des composants horlogers. De plus, lors des étapes de fabrication qui auront lieu après cette libération, la couche de travail comprenant les composants peut toujours rester attachée (ou liée) à la couche de support structurée 20' afin que les structures 22 restantes de cette couche servent toujours comme support structurel. [0031] Of course, other forms of the structured support layer 20' are possible. For example, the embodiments described above may be adapted to eliminate the peripheral structures 22, at least in part, along the circular periphery of the structured support layer 20'. According to another example, the structured support layer 20' may comprise only peripheral structures 22, its entire inner part having been eliminated. The different forms of structures 22 of the above embodiments may also be combined together. For example, by introducing a mesh of thin structures 22 between the thicker structures of FIGS. 4 or 5. What is important is that the eliminated regions 24 of the structured support layer 20' facilitate the subsequent release of the watch components. Furthermore, during manufacturing steps that will take place after this release, the working layer comprising the components can still remain attached (or bonded) to the structured support layer 20' so that the remaining structures 22 of this layer still serve as structural support.
[0032] Après la formation de la couche de support structurée, le procédé de fabrication de la présente invention se poursuit avec la formation de composants horlogers dans la couche de travail 30. Selon un mode de réalisation de l'invention, les figures 6a-6i illustrent schématiquement une deuxième série d'étapes de fabrication sur la couche de travail 30 d'une plaquette SOI modifiée 10'. [0032] After the formation of the structured support layer, the manufacturing method of the present invention continues with the formation of watch components in the working layer 30. According to one embodiment of the invention, FIGS. 6a-6i schematically illustrate a second series of manufacturing steps on the working layer 30 of a modified SOI wafer 10'.
[0033] Pour commencer, dans la figure 6a, on retourne la plaquette SOI modifiée 10' de la figure 1i afin que la couche de support structurée 20' constitue et agisse comme un support quand la plaquette modifiée 10 est installée dans ou sur des équipements de lithographie et de gravure. La couche de travail 30 se trouve alors encore une fois en position de dessus. Par la suite, à la figure 6b, on forme une couche d'oxyde de silicium 55 sur la surface de la couche de travail 30 ainsi que sur les surfaces des flancs des structures 22 de la couche de support structurée 20'. L'oxyde 55 qui est formé sur ces flancs peut se fusionner avec l'oxyde 50 déjà présent sur la surface principale des structures 22 de la couche de support structurée 20'. De préférence, la couche d'oxyde 55 est formée par oxydation thermique, mais elle peut aussi être formée par un dépôt de type PVD, CVD, ou ALD. La couche d'oxyde 55 peut par exemple avoir une épaisseur comprise entre 0.4 - 6 µm. La formation de la couche d'oxyde 55 avant le dépôt d'une couche de résine (voir la figure 6c) permet d'optimiser la gravure subséquente de motifs fins et profonds dans la couche de travail 30. De plus les couches d'oxydes 50, 55 servent à protéger la couche de support structurée 20' lors de la formation des composants horlogers dans la plaque de travail 30. En revanche, si une couche d'oxyde a déjà été formée sur la couche de travail 30 selon une variante de l'étape de la figure 1c ci-dessous, cette étape de la figure 6b devient superflue. [0033] To begin, in FIG. 6a, the modified SOI wafer 10' of FIG. 1i is flipped over so that the structured support layer 20' constitutes and acts as a support when the modified wafer 10 is installed in or on lithography and etching equipment. The working layer 30 is then once again in the top position. Subsequently, in FIG. 6b, a silicon oxide layer 55 is formed on the surface of the working layer 30 as well as on the flank surfaces of the structures 22 of the structured support layer 20'. The oxide 55 that is formed on these flanks may fuse with the oxide 50 already present on the main surface of the structures 22 of the structured support layer 20'. Preferably, the oxide layer 55 is formed by thermal oxidation, but it may also be formed by PVD, CVD, or ALD deposition. The oxide layer 55 may for example have a thickness of between 0.4 - 6 µm. The formation of the oxide layer 55 before the deposition of a resin layer (see FIG. 6c) makes it possible to optimize the subsequent etching of fine and deep patterns in the working layer 30. In addition, the oxide layers 50, 55 serve to protect the structured support layer 20' during the formation of the watch components in the working plate 30. On the other hand, if an oxide layer has already been formed on the working layer 30 according to a variant of the step of FIG. 1c below, this step of FIG. 6b becomes superfluous.
[0034] A la figure 6c, la couche d'oxyde 55 est recouverte d'une couche de résine 65, qui est typiquement une résine photosensible de type positif ou négatif. Cette couche de résine peut avoir une épaisseur comprise entre 0.5 - 12 µm, à titre illustratif. Par la suite, dans la figure 6d la couche de résine 65 est structurée de préférence en utilisant une étape de photolithographie comprenant une source de lumière ultraviolette 80 ainsi que, par exemple, un masque d'exposition 75 tel qu'un photomasque. Un système de stepper et réticule peut également être utilisé pour l'étape de photolithographie. Dans l'exemple illustré, la couche 65 comprend une résine photosensible de type positif dont les parties 65E de la résine qui sont exposées à la lumière deviennent solubles dans un révélateur et les parties non exposées restent insolubles. [0034] In Figure 6c, the oxide layer 55 is covered with a resin layer 65, which is typically a positive or negative type photosensitive resin. This resin layer may have a thickness of between 0.5 - 12 µm, for illustration purposes. Subsequently, in Figure 6d, the resin layer 65 is preferably structured using a photolithography step comprising an ultraviolet light source 80 as well as, for example, an exposure mask 75 such as a photomask. A stepper and reticle system may also be used for the photolithography step. In the illustrated example, the layer 65 comprises a positive type photosensitive resin, the parts 65E of the resin of which are exposed to light become soluble in a developer and the unexposed parts remain insoluble.
[0035] Dans la figure 6e, la couche de résine 65 est ouverte après avoir été développée par un révélateur, notamment un solvant qui élimine les parties exposées 65E de la résine par voie chimique. Ensuite, à la figure 6f, les parties de la couche d'oxyde 55 qui se trouvaient en dessous des parties exposées 65E de la résine sont aussi retirées de la surface de la couche de travail 30, par exemple en employant une gravure plasma sélective avec les gaz CH4/O2. L'utilisation d'une technique de gravure directionnelle est généralement privilégiée lors de cette étape car elle est plus précise, mais alternativement une gravure à base de vapeur d'acide hydrofluorique (HF) peut aussi être utilisée. [0035] In FIG. 6e, the resin layer 65 is opened after being developed by a developer, in particular a solvent which removes the exposed portions 65E of the resin by chemical means. Then, in FIG. 6f, the portions of the oxide layer 55 which were located below the exposed portions 65E of the resin are also removed from the surface of the working layer 30, for example by using selective plasma etching with CH4/O2 gases. The use of a directional etching technique is generally preferred during this step because it is more precise, but alternatively an etching based on hydrofluoric acid vapor (HF) can also be used.
[0036] A l'étape illustrée à la figure 6g, après avoir éliminé ou retiré la partie restante de la couche de résine 65, la couche de travail 30 est gravée au travers de la couche d'oxyde 55 structurée afin de former les motifs des composants horlogers dans une couche de travail structurée 30'. La plaquette SOI résultante 10" comprend alors la couche de support structurée 20' et la couche de travail structurée 30' avec les composants formés dedans. La gravure à l'étape de la figure 6g est de préférence effectuée par une technique de gravure ionique réactive profonde (DRIE). Alternativement, la structuration de la couche de support peut être réalisée par une opération de gravure humide/chimique anisotrope, par exemple en utilisant un bain d'hydroxyde de potassium (KOH) ou d'hydroxyde de tétraméthylammonium (TMAH), mais comme indiqué ci-dessus, la résolution dimensionnelle des structures gravées est typiquement moins bonne avec une structuration par gravure humide/chimique. Si une opération de gravure humide/chimique anisotrope est employée, la couche d'oxyde 55 n'est normalement pas formée sur la surface principale de la couche de travail 30 avant le dépôt du résine 65 sur cette surface. [0036] In the step illustrated in FIG. 6g, after having eliminated or removed the remaining part of the resin layer 65, the working layer 30 is etched through the structured oxide layer 55 in order to form the patterns of the watch components in a structured working layer 30'. The resulting SOI wafer 10" then includes the patterned support layer 20' and the patterned working layer 30' with the components formed therein. The etching in the step of Figure 6g is preferably performed by a deep reactive ion etching (DRIE) technique. Alternatively, the patterning of the support layer can be performed by an anisotropic wet/chemical etching operation, for example using a potassium hydroxide (KOH) or tetramethylammonium hydroxide (TMAH) bath, but as noted above, the dimensional resolution of the etched structures is typically poorer with wet/chemical etching. If an anisotropic wet/chemical etching operation is employed, the oxide layer 55 is typically not formed on the major surface of the working layer 30 until the resist 65 is deposited on that surface.
[0037] Il est également possible de conserver la partie restante de la couche de résine 65 lors de l'étape de gravure (DRIE ou autre) de la couche de travail 30 et de la retirer après la gravure, et dans ce cas la couche de travail 30 est gravée au travers des deux couches 55, 65 structurées. A titre d'exemple, si la résine est de type positif elle peut être retirée par des solvants de type acétone ou diméthylsulfoxyde (DMSO) soit avant, soit après l'étape de gravure. Pour une résine de type négatif comme le SU-8, un plasma CF4/O2peut être employé pour son retrait. [0037] It is also possible to keep the remaining part of the resin layer 65 during the etching step (DRIE or other) of the working layer 30 and to remove it after the etching, and in this case the working layer 30 is etched through the two structured layers 55, 65. For example, if the resin is of the positive type it can be removed by solvents of the acetone or dimethyl sulfoxide (DMSO) type either before or after the etching step. For a negative type resin such as SU-8, a CF4/O2 plasma can be used for its removal.
[0038] Après l'étape de gravure de la couche de travail structurée 30', on obtient à la figure 6h, la plaquette SOI résultante 10" avec les composants horlogers 90 formés dans la couche de travail structurée 30'. Par la suite, au moins les parties de la couche d'oxyde enterrée 40 qui se trouvent en dessous des composants 90, ainsi que les couches d'oxydes restantes 50, 55 sur la plaquette sont éliminées afin de libérer les composants horlogers 90, comme illustré à l'étape 6i. De nouveau, ces différentes couches d'oxyde peuvent être éliminées en employant une gravure à base de vapeur d'acide hydrofluorique (HF) de manière connue. Alternativement, les différentes couches d'oxyde peuvent être éliminées par gravure plasma. De manière avantageuse, cette étape de libération peut être réalisée sans structurer de nouveau la couche de support structurée 20'. [0038] After the step of etching the structured working layer 30', the resulting SOI wafer 10" with the watch components 90 formed in the structured working layer 30' is obtained in FIG. 6h. Subsequently, at least the parts of the buried oxide layer 40 which are located below the components 90, as well as the remaining oxide layers 50, 55 on the wafer are removed in order to release the watch components 90, as illustrated in step 6i. Again, these different oxide layers can be removed by using hydrofluoric acid (HF) vapor-based etching in a known manner. Alternatively, the different oxide layers can be removed by plasma etching. Advantageously, this release step can be carried out without re-structuring the structured support layer 20'.
[0039] Selon une alternative, la libération des composants horlogers 90 peut être réalisée par une séparation complète de la couche de travail structurée 30' (ou une partie de cette couche comprenant les composants horlogers) et la plaquette SOI résultante 10" comme dans le document WO2019180596. Cependant, de préférence, la couche de travail structurée 30' reste attachée à la plaquette SOI 10" afin que la couche de supporte structurée 20' sert toujours comme support structurel lors des étapes de fabrication subséquentes qui seront réalisées sur les composants libérés. Dans ce cas, il suffit d'éliminer les parties de la couche d'oxyde enterrée 40 qui se trouvent en dessous des composants 90. Au vu de la structuration préalable de la couche de support, cette étape de libération des composants horlogers 90 en éliminant l'oxyde est simple et n'implique pas une étape de dépôt d'une couche de protection sur ces composants après leur formation, car la couche de support structurée 20' a déjà la forme nécessaire pour la libération et n'a pas besoin d'être structurée une nouvelle fois. En général, les composants horlogers 90 restent encore attachés à la couche de travail structurée 30' par au moins un pont 35 après leur formation, afin qu'ils soient toujours tenus et supportés par la partie restante de cette couche après leur libération. [0039] Alternatively, the release of the watch components 90 may be achieved by a complete separation of the structured working layer 30' (or a portion of this layer comprising the watch components) and the resulting SOI wafer 10" as in document WO2019180596. However, preferably, the structured working layer 30' remains attached to the SOI wafer 10" so that the structured support layer 20' still serves as a structural support during subsequent manufacturing steps that will be performed on the released components. In this case, it is sufficient to remove the parts of the buried oxide layer 40 that are located below the components 90. In view of the prior structuring of the support layer, this step of releasing the watch components 90 by removing the oxide is simple and does not involve a step of depositing a protective layer on these components after their formation, because the structured support layer 20' already has the shape necessary for the release and does not need to be structured again. In general, the watch components 90 still remain attached to the structured working layer 30' by at least one bridge 35 after their formation, so that they are still held and supported by the remaining part of this layer after their release.
[0040] Selon un mode de réalisation, la figure 7 est une vue en section pour mieux illustrer les composants horlogers 90 libérés dans le cadre d'une couche de travail structurée 30' toujours attachée à la plaquette SOI résultante 10" après les étapes des figures 1 et 6. Dans cet exemple, les composants horlogers 90 peuvent être des spiraux horlogers, et la couche de support structurée 20' correspond au mode de réalisation de la figure 2a décrit ci-dessus. On voit donc en dessous de chaque composant horloger 90 des zones 25A dans lesquelles tout le matériau de la couche de support et tout le matériau de la couche d'oxyde enterrée 40 ont été éliminés. De cette manière, les composants horlogers 90 ne sont supportés structurellement que par des ponts fins (non illustrés) qui les maintiennent attachés aux parties subsistantes de la couche de travail structurée 30'. On remarque également que dans d'autres régions de la plaquette, la couche de travail structurée 30' reste attachée aux structures 22 de la couche de support structurée 20' par le biais d'une partie restante de la couche d'oxyde enterrée 40. En réalité, une partie de la couche oxyde 40 au-dessus des structures 22 peut être retirée lors de l'étape de libération de la figure 6i, mais une portion suffisante subsiste généralement pour garder la liaison des couches de silicium 20', 30' à ces endroits. Après cette libération, on peut effectuer au moins une étape de fabrication subséquente sur la quasi-totalité de la surface externe des composants horlogers 90. [0040] According to one embodiment, FIG. 7 is a sectional view to better illustrate the released watch components 90 as part of a structured working layer 30' still attached to the resulting SOI wafer 10" after the steps of FIGS. 1 and 6. In this example, the watch components 90 may be watch hairsprings, and the structured support layer 20' corresponds to the embodiment of FIG. 2a described above. Below each watch component 90, areas 25A are thus seen in which all the material of the support layer and all the material of the buried oxide layer 40 have been removed. In this way, the watch components 90 are structurally supported only by thin bridges (not shown) that keep them attached to the remaining portions of the structured working layer 30'. It is also noted that in other regions of the wafer, the structured working layer 30' remains attached to the structures 22 of the structured support layer 20' by means of a remaining portion of the buried oxide layer 40. In reality, a portion of the oxide layer 40 above the structures 22 may be removed during the release step of FIG. 6i, but a sufficient portion generally remains to maintain the bonding of the silicon layers 20', 30' at these locations. After this release, at least one subsequent manufacturing step may be carried out on almost the entire external surface of the watch components 90.
[0041] A titre d'exemple, une étape de fabrication subséquente peut comprendre une étape de lissage lors de laquelle les surfaces gravées des composants horlogers sur la plaquette résultante 10" sont lissées, ce qui les renforce mécaniquement. Ce lissage peut notamment être effectué par une étape d'oxydation thermique suivie par une étape de désoxydation, constituée par exemple d'une gravure par voie humide à base d'acide fluorhydrique (HF). Un tel lissage peut être répété au moins une fois pour améliorer les propriétés de surface des composants horlogers. [0041] By way of example, a subsequent manufacturing step may comprise a smoothing step during which the etched surfaces of the watch components on the resulting wafer 10" are smoothed, which mechanically strengthens them. This smoothing may in particular be carried out by a thermal oxidation step followed by a deoxidation step, consisting for example of wet etching based on hydrofluoric acid (HF). Such smoothing may be repeated at least once to improve the surface properties of the watch components.
[0042] Quand les composants horlogers 90 sont des spiraux ou un autre type de résonateurs horlogers, il est bien entendu important de les fabriquer avec les propriétés élastiques voulues. Cependant, les étapes de microfabrication, et plus particulièrement de gravure, employées dans la fabrication de spiraux sur une plaquette résultent typiquement en des variations entre les dimensions des composants de la plaquette. Cela résulte en une dispersion importante entre les raideurs des composants, nonobstant que le motif de gravure est le même pour chaque composant. Pour remédier à ce problème, il est connu de surdimensionner les composants initialement formés sur la plaquette de silicium résultante 10" et d'ajuster finement leurs dimensions (et donc leurs propriétés élastiques) en effectuant une étape d'oxydation thermique (lors de laquelle le matériau de silicium est retirée précisément) suivie par une étape de désoxydation. Ces opérations constituent donc un autre exemple d'une étape de fabrication subséquente. [0042] When the watch components 90 are hairsprings or another type of watch resonator, it is of course important to manufacture them with the desired elastic properties. However, the microfabrication steps, and more particularly etching, used in the manufacture of hairsprings on a wafer typically result in variations between the dimensions of the components of the wafer. This results in a significant dispersion between the stiffnesses of the components, notwithstanding that the etching pattern is the same for each component. To remedy this problem, it is known to oversize the components initially formed on the resulting silicon wafer 10" and to finely adjust their dimensions (and therefore their elastic properties) by performing a thermal oxidation step (during which the silicon material is precisely removed) followed by a deoxidation step. These operations therefore constitute another example of a subsequent manufacturing step.
[0043] Encore une autre étape de fabrication subséquente possible sur la plaquette de silicium résultante 10" concerne la formation d'une couche d'oxyde de silicium, de préférence autour de toute la surface externe des composants horlogers 90. Cette couche externe d'oxyde de silicium peut avoir une épaisseur comprise entre 2-5 µm. Dans le cadre d'un spiral ou d'un autre type de résonateur horloger, une telle couche compense les variations du module d'Young de l'âme en silicium du composant horloger en fonction de la température. Par ailleurs, la formation d'une telle couche externe d'oxyde de silicium sur les composants horlogers de n'importe quel type peut également servir à renforcer ces composants mécaniquement. [0043] Yet another possible subsequent manufacturing step on the resulting silicon wafer 10" concerns the formation of a layer of silicon oxide, preferably around the entire external surface of the watch components 90. This external layer of silicon oxide can have a thickness of between 2-5 µm. In the context of a hairspring or other type of watch resonator, such a layer compensates for variations in the Young's modulus of the silicon core of the watch component as a function of temperature. Furthermore, the formation of such an external layer of silicon oxide on watch components of any type can also serve to strengthen these components mechanically.
[0044] D'autres types de matériaux peuvent également être formés sur les composants horlogers 90, par exemple par un dépôt type ALD, lors d'une étape de fabrication subséquente. [0044] Other types of materials can also be formed on the watch components 90, for example by an ALD type deposit, during a subsequent manufacturing step.
[0045] Ces étapes de fabrication subséquentes et/ou encore d'autres peuvent être effectuées sans difficulté sur la plaquette de silicium résultante 10" qui avantageusement comprend toujours la couche de support structurée 20' comme substrat structurel. En même temps, la structuration préalable de la couche de support structurée 20' avant la formation des composants facilite la libération qui est simple et fiable. Notamment, avec le procédé de fabrication de la présente invention, les étapes de libération ne posent pas de risque d'endommager ou d'altérer de manière inattendue les composants horlogers après leur formation, et de plus la formation d'une couche de protection autour des composants horlogers formés n'est plus nécessaire. [0045] These and/or other subsequent manufacturing steps can be carried out without difficulty on the resulting silicon wafer 10" which advantageously still comprises the structured support layer 20' as a structural substrate. At the same time, the prior structuring of the structured support layer 20' before the formation of the components facilitates the release which is simple and reliable. In particular, with the manufacturing method of the present invention, the release steps do not pose a risk of damaging or unexpectedly altering the watch components after their formation, and moreover the formation of a protective layer around the formed watch components is no longer necessary.
[0046] Une fois que la ou les étapes de fabrication sont effectuées, les composants horlogers peuvent être détachés de la plaquette SOI résultante 10" en cassant le ou les ponts les reliant à la couche de travail structurée (30'). [0046] Once the manufacturing step(s) are performed, the watch components can be detached from the resulting SOI wafer 10" by breaking the bridge(s) connecting them to the structured working layer (30').
[0047] La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation et variantes présentés et d'autres modes de réalisation et variantes apparaîtront clairement à l'homme du métier. Ainsi, les réalisations ci-dessus sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation et leurs variantes, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation ou variante, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation ou variante. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation et leurs variantes peuvent également être combinées et/ou interchangées pour fournir d'autres réalisations. [0047] The present invention is not limited to the embodiments and variations presented and other embodiments and variations will be apparent to those skilled in the art. Thus, the above embodiments are examples. Although the description refers to one or more embodiments and variations thereof, this does not necessarily mean that each reference relates to the same embodiment or variation, or that the features apply only to a single embodiment or variation. Single features of different embodiments and variations thereof may also be combined and/or interchanged to provide other embodiments.
Claims (15)
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