EP3769160A1 - Procede de fabrication d'un spiral en silicium - Google Patents
Procede de fabrication d'un spiral en siliciumInfo
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- EP3769160A1 EP3769160A1 EP19712197.3A EP19712197A EP3769160A1 EP 3769160 A1 EP3769160 A1 EP 3769160A1 EP 19712197 A EP19712197 A EP 19712197A EP 3769160 A1 EP3769160 A1 EP 3769160A1
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Abstract
L'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un spiral d'une raideur finale comportant les étapes de fabrication d'un spiral selon des dimensions surépaissies, de détermination de la raideur initiale du spiral formé afin de retirer le volume de matériau pour obtenir le spiral aux dimensions nécessaires à ladite raideur finale.
Description
PROCEDE DE FABRICATION D’UN SPI RAL EN S I LICI UM
Domaine de l’invention
L'invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un spiral en silicium et, plus précisément, un tel spiral utilisé comme spiral compensateur coopérant avec un balancier d’inertie connue pour former un résonateur comportant une fréquence prédéterminée.
Arrière-plan de l’invention
Il est expliqué dans le document EP 1 422 436, incorporé par référence à la présente demande, comment former un spiral compensateur comportant une âme en silicium revêtue de dioxyde de silicium et coopérant avec un balancier d’inertie connue pour compenser thermiquement l’ensemble dudit résonateur.
Fabriquer un tel spiral compensateur apporte de nombreux avantages mais possède également des inconvénients. En effet, l’étape de gravage de plusieurs spiraux dans une plaquette de silicium offre une dispersion géométrique non négligeable entre les spiraux d’une même plaquette et une dispersion plus grande entre des spiraux de deux plaquettes gravées à des moments différents. Incidemment, la raideur de chaque spiral gravé avec le même motif de gravage est variable en créant des dispersions de fabrication non négligeables.
Résumé de l’invention
Le but de la présente invention est de pallier tout ou partie les inconvénients cités précédemment en proposant un procédé de fabrication d’un spiral dont les dimensions sont suffisamment précises pour ne pas nécessiter de retouche.
A cet effet, l’invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un spiral en silicium ayant une raideur finale connue comportant les étapes suivantes : a) se munir d’un wafer SOI comprenant successivement une couche de silicium dite « handle », une couche de liaison en oxyde de silicium, et une couche de silicium dite « device »;
b) faire croître une couche d’oxyde de silicium à la surface du wafer ; c) réaliser une photolithographie sur la couche « device » pour former un masque de résine ;
d) graver la couche d’oxyde de silicium à travers le masque de résine formé précédemment;
e) réaliser un gravage ionique réactif profond pour former le spiral en silicium ;
f) faire croître une couche d’oxyde de silicium en surface du silicium, la couche d’oxyde servant de protection des composants ;
g) graver la couche « handle » pour exposer la couche de liaison et ensuite libérer le spiral, le spiral étant maintenu au wafer par au moins une attache ;
h) déterminer la raideur initiale du spiral et calculer les dimensions de spire à obtenir pour obtenir le spiral d’une raideur finale ;
i) oxyder le spiral formé afin de transformer ladite épaisseur de matériau à base de silicium à retirer en dioxyde de silicium et ainsi former un spiral oxydé ;
j) retirer l’oxyde du spiral oxydé permettant d’obtenir un spiral à base de silicium aux dimensions globales nécessaires pour obtenir la raideur finale ;
k) oxyder à nouveau le spiral pour obtenir un spiral d’une raideur finale et ajuster les performances thermiques dudit spiral.
On obtient ainsi un spiral compensateur qui, avantageusement selon l'invention, comporte une âme à base de silicium et un revêtement à base d’oxyde de silicium. Avantageusement selon l'invention, le spiral compensateur possède donc une très haute précision dimensionnelle et,
incidemment, une compensation thermique de l’ensemble du résonateur très fine.
On comprend donc que le procédé permet de garantir une très haute précision dimensionnelle du spiral et, incidemment un comportement de sa raideur selon la température qui va compenser les dérives de l’ensemble qu’il forme avec un balancier.
Conformément à d’autres variantes avantageuses de l’invention :
- l’étape e) est réalisée à l’aide d’un gravage chimique ;
- l’étape g) comporte les phases suivantes :
g1 ) réaliser une photolithographie et une gravure sèche pour exposer le silicium de la couche « handle » ;
g2) graver la couche « handle » avec une solution d’hydroxyde de potassium, d’hydroxyde de tétraméthylammonium, ou par un gravage DRIE ;
- lors de l’étape e), plusieurs spiraux sont formés dans un même wafer selon des dimensions supérieures aux dimensions nécessaires pour obtenir plusieurs spiraux d’une raideur initiale ou plusieurs spiraux de plusieurs raideurs initiales ;
- l’étape h) comporte les phases suivantes :
h1 ) mesurer la fréquence d’un ensemble comportant le spiral formé lors de l’étape e) couplé avec un balancier doté d’une inertie connue et déduire de la fréquence mesurée, la raideur initiale du spiral formé ; h2) calculer, à partir de la détermination de la raideur initiale du spiral, les dimensions de spire à obtenir pour obtenir ledit spiral d’une raideur finale ;
- après l’étape k), le procédé comporte, en outre, l’étape suivante :
I) former, sur au moins une partie dudit spiral d’une raideur prédéterminée, une couche mince sur une partie de la surface externe dudit spiral permettant de former un spiral moins sensible
aux variations climatiques et aux interférences à caractère électrostatique.
Description sommaire des dessins
D’autres particularités et avantages ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 illustre un wafer avec une multitude de spiraux obtenus selon un procédé conforme à l’invention ;
- les figures 2a et 2 b illustrent respectivement une vue en perspective et une vue en coupe d’un spiral obtenu selon un procédé conforme à l’invention ;
- la figure 3 illustre les différentes étapes d’un procédé conforme à l’invention.
Description détaillée des modes de réalisation préférés
L’invention se rapporte à un spiral compensateur 1 visible à la figure 2a ainsi que son procédé de fabrication permettant de garantir une très haute précision dimensionnelle du spiral et, incidemment, de garantir une raideur plus précise dudit spiral.
Selon l'invention, le spiral compensateur 1 est formé à base d’un matériau, éventuellement revêtu d’une couche de compensation thermique, et destiné à coopérer avec un balancier d’inertie connue.
L'utilisation d’un matériau, par exemple à base de silicium, de verre ou de céramique, pour la fabrication d'un spiral offre l'avantage d’être précis par les méthodes de gravage existantes et de posséder de bonnes propriétés mécaniques et chimiques en étant notamment peu ou pas sensible aux champs magnétiques. Il doit en revanche être revêtu ou modifié superficiellement pour pouvoir former un spiral compensateur.
Préférentiellement, le matériau à base de silicium utilisé comme spiral compensateur peut être du silicium monocristallin quelle que soit son
orientation cristalline, du silicium monocristallin dopé quelle que soit son orientation cristalline, du silicium amorphe, du silicium poreux, du silicium polycristallin, du nitrure de silicium, du carbure de silicium, du quartz quelle que soit son orientation cristalline ou de l’oxyde de silicium. Bien entendu d’autres matériaux peuvent être envisagés comme un verre, une céramique, un cermet, un métal ou un alliage métallique. Par simplification, l’explication ci-dessous sera portée sur un matériau à base de silicium.
Chaque type de matériau peut être modifié superficiellement ou revêtu d’une couche afin de compenser thermiquement le matériau de base comme expliqué ci-dessus.
Ainsi, l’invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un spiral silicium 1 visible à la figure 3. Par soucis de lisibilité et de compréhension, les étapes du procédé représentent seulement une coupe médiane selon la ligne A d’un seul spiral silicium 1 formé dans le wafer 10 de la figure 1 , le nombre de spires 3 du spiral 1 étant réduit pour faciliter la lecture des figures.
Selon l'invention, le procédé comporte, comme illustré à la figure 3, une première étape a) qui consiste à se munir de wafers SOI 10, c’est-à- dire composés de deux couches de silicium 11 et 12, liées l'une à l'autre par une couche d'oxyde de silicium 13. Chacune de ces trois couches a un ou des rôles bien précis.
La couche supérieure de silicium 11 , nommée "device" et formée dans une plaque de silicium monocristallin (dont les orientations principales peuvent être variées), comporte une épaisseur qui va déterminer l'épaisseur finale du composant à fabriquer, typiquement, en horlogerie, entre 100 et 200pm.
La couche inférieure de silicium 12, nommée "handle", sert essentiellement de support mécanique, de façon à pouvoir effectuer le procédé sur un ensemble suffisamment rigide (ce que l'épaisseur réduite du "device" n'est pas en mesure de garantir). Elle est également formée d'une
plaque de silicium monocristallin, en général d'une orientation similaire à la couche "device".
La couche d'oxyde 13 permet de lier intimement les deux couches de silicium 11 et 12. En outre, elle va également servir de couche d'arrêt lors d'opérations ultérieures.
L’étape b) qui suit consiste à faire croître à la surface du ou des wafers 10 une couche d'oxyde de silicium, en exposant le ou les wafers à une atmosphère oxydante à haute température. La couche varie selon l'épaisseur du « device » à structurer. Elle se situe typiquement entre 1 et 4pm.
L’étape c) du procédé, va permettre de définir, par exemple dans une résine positive, les motifs que l'on souhaite réaliser par la suite dans le wafer 10 en silicium. Cette étape comprend les opérations suivantes :
- la résine est déposée, par exemple à la tournette, en une couche très mince d'épaisseur comprise entre 1 et 2pm,
- une fois séchée, cette résine, aux propriétés photolithographiques, est exposée à travers un masque photolithographique (plaque transparente recouverte d'une couche de chrome, elle-même représentant les motifs souhaités) à l'aide d'une source lumineuse ;
- dans le cas précis d’une résine positive, les zones exposées de la résine sont ensuite éliminées au moyen d’un solvant, révélant alors la couche d'oxyde. En l'occurrence, les zones toujours recouvertes de résine définissent les zones que l'on ne souhaite pas voir attaquées dans l'opération ultérieure de gravage ionique réactif profond (également connu sous l’abréviation « D.R.I.E. ») du silicium.
Lors de l’étape d), on exploite alors les zones exposées ou au contraire recouvertes de résine. Un premier processus de gravure permet de transférer dans l'oxyde de silicium préalablement crû, les motifs définis dans la résine aux étapes précédentes. Toujours dans une optique de répétabilité du processus de fabrication, l'oxyde de silicium est structuré par
une gravure sèche par plasma, directionnelle et reproduisant la qualité des flancs de la résine servant de masque pour cette opération.
Une fois l'oxyde de silicium gravé dans les zones ouvertes de la résine, la surface de silicium de la couche supérieure 11 est alors exposée et prête pour une gravure DRIE. La résine peut être conservée ou non selon qu’on souhaite employer la résine comme masque lors de la gravure DRIE.
Le silicium exposé et non protégé par l'oxyde de silicium est gravé selon une direction perpendiculaire à la surface du wafer (gravure anisotrope DRIE Bosch®). Les motifs formés d'abord dans la résine, puis dans l'oxyde de silicium, sont "projetés" dans l'épaisseur de la couche "device" 11.
Lorsque la gravure débouche sur la couche d’oxyde de silicium 13 liant les deux couches de silicium 11 et 12, la gravure s'arrête. En effet, à l'instar de l'oxyde de silicium servant de masque lors du processus Bosch® et résistant à la gravure elle-même, la couche d’oxyde enterrée 13, de même nature, y résiste également.
La couche de silicium "device" 11 est alors structurée dans toute son épaisseur par les motifs définis représentant les composants à fabriquer, maintenant révélés par cette gravure DRIE à savoir un spiral 1 comprenant des spires 3 et une virole 2.
Les composants restent solidaires de la couche "handle" 12 à laquelle ils sont liés par la couche d'oxyde de silicium enterrée 13.
Bien entendu, le procédé ne saurait se limiter à une gravure DRIE lors de l’étape e). A titre d’exemple, l’étape e) pourrait tout aussi bien être obtenue par un gravage chimique dans un même matériau à base de silicium.
Lors de l’étape e), plusieurs spiraux peuvent être formés dans le même wafer selon des dimensions supérieures aux dimensions
nécessaires pour obtenir plusieurs spiraux d’une raideur initiale ou plusieurs spiraux de plusieurs raideurs initiales.
A la suite de l’étape e), lors d’une séquence e1 ), les résidus de la résine de passivation résultant du processus Bosch® sont ensuite éliminés, et l'oxyde ayant servi de masque à la gravure DRIE est éliminé en solution aqueuse à base d'acide fluorhydrique.
Lors d’une étape f), on fait à nouveau croître une couche d’oxyde de silicium en surface du silicium (autour des couches « device » 11 et « handle » 12), cet couche d’oxyde va servir de protection des composants lors de l'opération servant à les libérer en les séparant de la couche "handle" 12.
Une seconde opération de photolithographie similaire à la première réalisée lors de l’étape c) est réalisée au dos du wafer 10 (donc côté couche « handle » 12). Pour ce faire le wafer 10 est retourné, la résine y est déposée, puis exposée à travers un masque.
La zone de la résine exposée est ensuite éliminée au moyen d’un solvant, révélant alors la couche d'oxyde formée précédemment et qui est ensuite structurée via une gravure sèche.
A l’étape g) suivante, on réalise une gravure complète de la couche "handle" 12 exposée au moyen d’une solution aqueuse, à base d’hydroxyde de potassium (KOH), d’hydroxyde de tétraméthylammonium, ou bien par une gravure DRIE. Ces solutions sont bien connues pour graver facilement le silicium, tout en épargnant l'oxyde de silicium.
Lors de l’étape g1 ) pour libérer complètement les composants, les diverses couches d'oxyde de silicium sont alors gravées par le biais d’une gravure humide avec une solution à base d’acide fluorhydrique. Avantageusement, les spiraux 1 formés sont maintenus à un cadre via au moins une attache, le cadre et les attaches ayant été formés en même temps que les spiraux lors de l’étape e) de gravure DRIE.
Le procédé comporte une étape h) destinée à déterminer la raideur initiale du spiral. Une telle étape h) peut être réalisée directement sur le spiral encore attaché au wafer 10 ou sur l'ensemble ou sur un échantillon des spiraux encore attachés au wafer ou sur un spiral détaché du wafer.
Préférentiellement selon l'invention, l’étape h) comporte une première phase h1 ) destinée à mesurer la fréquence d’un ensemble comportant le spiral couplé avec un balancier doté d’une inertie connue puis, en déduire la raideur initiale du spiral.
La fréquence d'oscillation de l'ensemble balancier-spiral permet de déterminer la raideur angulaire du spiral testé, et par là-même, les dimensions précises de la section de spire 3 du ressort spiral 1 (son épaisseur principalement, la hauteur étant connue, puisqu'il s'agit de l'épaisseur de la couche "device" du substrat de base).
Une telle phase de mesure peut notamment être dynamique et réalisée selon les enseignements du document EP 2 423 764, incorporé par référence à la présente demande. Toutefois, alternativement, une méthode statique, réalisée selon les enseignements du document EP 2 423 764, peut également être mise en œuvre pour déterminer la raideur du spiral.
Bien entendu, comme expliqué ci-dessus, le procédé ne se limitant pas au gravage d’un unique spiral par plaquette, l’étape h) peut également consister en une détermination de la raideur initiale moyenne d'un échantillon représentatif ou de l'ensemble des spiraux formés sur un même wafer.
Lors de la deuxième phase h2), on calcule les dimensions de spire à obtenir, à partir de la détermination de la raideur initiale du spiral, pour obtenir les dimensions globales nécessaires pour obtenir ledit spiral d’une raideur souhaitée (ou raideur finale).
Le procédé se poursuit avec une séquence destinée à retirer la matière excédentaire du spiral jusqu’aux dimensions nécessaires en vue d’obtenir le spiral d’une raideur finale.
L’étape i) consiste à oxyder le spiral afin de transformer ladite épaisseur de matériau à base de silicium à retirer en dioxyde de silicium et ainsi former un spiral oxydé. Une telle phase peut, par exemple, être obtenue par oxydation thermique. Une telle oxydation thermique peut, par exemple, être réalisée entre 800 et 1200 °C sous atmosphère oxydante à l’aide de vapeur d’eau ou de gaz de dioxygène permettant de former de l’oxyde de silicium sur le spiral. Lors de cette étape, on exploite le fait que l’oxyde de silicium croît de façon régulière, la vitesse d’oxydation et l’épaisseur qui en résulte sont parfaitement maîtrisées par l’homme du métier ce qui permet d’assurer l’uniformité de la couche d’oxyde.
L’étape i) se poursuit avec une étape j) destinée à retirer l’oxyde du spiral permettant d’obtenir un spiral à base de silicium aux dimensions globales nécessaires pour obtenir la raideur finale. Une telle étape est obtenue par une gravure chimique. Une telle gravure chimique peut être réalisée, par exemple, au moyen d’une solution à base d’acide fluorhydrique permettant de retirer l’oxyde de silicium du spiral.
Les étapes i) et j) permettent d’amener les dimensions de la spire 3 à des valeurs intermédiaires déterminées lors de l'étape de calcul h2).
Enfin, l’étape k) consiste à oxyder à nouveau le spiral pour le revêtir d’une couche de dioxyde de silicium afin de former un spiral 1 qui est thermocompensé. Une telle étape peut, par exemple, être obtenue par oxydation thermique. Une telle oxydation thermique peut, par exemple, être réalisée entre 800 et 1200 °C sous atmosphère oxydante à l’aide de vapeur d’eau ou de gaz de dioxygène permettant de former de l’oxyde de silicium sur le spiral.
On obtient ainsi le spiral 1 compensateur comme illustré aux figures 2a et 2b qui, avantageusement selon l'invention, comporte une âme 30 à base de silicium et un revêtement 31 à base d’oxyde de silicium.
Cette seconde oxydation permet d’ajuster à la fois les performances mécanique (raideur) et thermique (compensation en température) du futur spiral 1. A ce stade, les dimensions de la spire 3 répondent à l'exigence de raideur angulaire cherchée et la couche d'oxyde de silicium crû permet d'ajuster la raideur en fonction du changement dimensionnel de l’ensemble balancier/spiral selon la température.
Avantageusement selon l'invention, il est ainsi possible de fabriquer sans plus de complexité un spiral 1 comportant notamment :
- une ou plusieurs spires 3 de section(s) plus précise(s) que celle obtenue par un unique gravage ;
- des variations d’épaisseur et/ou de pas le long de la spire ;
- une virole monobloc 2 ;
- une spire interne du type à courbe Grossmann ;
- une attache de pitonnage monobloc ;
- un élément d'encastrement externe monobloc ;
- une portion de la spire externe surépaissie par rapport au reste des spires.
Le procédé peut aussi comporter une étape I) de métallisation. En effet, la croissance d'une couche d'oxyde de silicium non négligeable à la surface des spiraux n'apporte pas que des avantages. Cette couche trappe et fixe des charges électriques, lesquelles vont conduire à des phénomènes de collement électrostatique soit avec l'environnement du spiral, soit des spires entre elles.
Cette couche a également des propriétés hydrophiles, et il est connu que l'absorption d'humidité provoque une dérive de la raideur du spiral et partant, de la marche de la montre.
Aussi, une couche mince d'un métal tel que du chrome, du titane, du tantale ou un de leurs alliages, rend à la fois la surface du spiral 1 étanche et conductrice, éliminant les effets mentionnés ci-dessus. Une telle couche peut être obtenue selon les enseignements du document EP 2 920 653, incorporé par référence à la présente demande.
L'épaisseur de cette couche mince est choisie aussi fine que possible pour ne pas perturber les performances ajustées ci-dessus. Un traitement thermique adéquat garantit la bonne adhérence de la couche mince.
Enfin, le procédé peut également comporter l’étape I) destinée à séparer les spiraux 1 du wafer 10 et les assembler avec un balancier d’inertie connue pour former un résonateur du type balancier - spiral qui est compensé thermiquement ou non, c'est-à-dire dont la fréquence est sensible ou non aux variations de température.
Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à l’exemple illustré mais est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l’homme de l’art. En particulier, comme expliqué ci-dessus, le balancier, même s’il comporte une inertie prédéfinie de construction, peut comporter des masselottes déplaçables permettant d’offrir un paramètre de réglage avant ou après la vente de la pièce d'horlogerie.
Claims
REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d’un spiral comportant les étapes suivantes :
a) se munir d’un wafer SOI (10) comprenant successivement une couche de silicium dite « device » (11 ), un couche de liaison (13) en oxyde de silicium, et une couche de silicium dite « handle » (12); b) faire croître une couche d’oxyde de silicium à la surface du wafer
(10) ;
c) réaliser une photolithographie sur la couche « device » (11 ) pour former un masque de résine ;
d) graver la couche d’oxyde de silicium à travers le masque de résine formé précédemment ;
e) réaliser un gravage ionique réactif profond pour former le spiral (1 ) en silicium ;
f) faire croître une couche d’oxyde de silicium en surface du silicium, la couche d’oxyde servant de protection pour le spiral (1 ) formé ;
g) graver la couche « handle » (12) pour exposer la couche de liaison et ensuite libérer le spiral (1 ), le spiral (1 ) étant maintenu au wafer (10) par au moins une attache ;
h) déterminer la raideur initiale du spiral (1 ) et calculer les dimensions de spire (3) pour obtenir le spiral d’une raideur finale ;
i) oxyder le spiral formé afin de transformer ladite épaisseur de matériau à base de silicium à retirer en dioxyde de silicium et ainsi former un spiral oxydé ;
j) retirer l’oxyde du spiral oxydé permettant d’obtenir un spiral à base de silicium aux dimensions globales nécessaires pour obtenir la raideur finale.
k) oxyder à nouveau le spiral pour obtenir un spiral d’une raideur finale et ajuster les performances thermiques dudit spiral.
2. Procédé de fabrication selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l’étape e) est réalisée à l’aide d’un gravage chimique.
3. Procédé de fabrication selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l’étape g) comporte les phases suivantes :
g1 ) réaliser une photolithographie et une gravure pour exposer le silicium de la couche « handle » (12) ;
g2) graver la couche « handle » (12) par une solution d’hydroxyde de potassium, une solution d’hydroxyde de tétraméthylammonium, ou un gravage DRIE ;
4. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors de l’étape e), plusieurs spiraux sont formés dans un même wafer selon des dimensions supérieures aux dimensions nécessaires pour obtenir plusieurs spiraux d’une raideur initiale ou plusieurs spiraux de plusieurs raideurs initiales.
5. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape h) comporte les phases suivantes :
h1 ) mesurer la fréquence d’un ensemble comportant le spiral formé lors de l’étape e) couplé avec un balancier doté d’une inertie connue et déduire de la fréquence mesurée, la raideur initiale du spiral formé ; h2) calculer, à partir de la détermination de la raideur initiale du spiral, les dimensions de spire à obtenir pour obtenir ledit spiral d’une raideur finale.
6. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, après l’étape j), le procédé comporte, en outre, l’étape suivante :
k) former, sur au moins une partie dudit spiral d’une raideur finale, une couche mince sur une partie de la surface externe dudit spiral permettant de former un spiral moins sensible aux variations climatiques et aux interférences à caractère électrostatique.
7. Procédé de fabrication selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche mince comporte du chrome, du titane, du tantale ou un de leurs alliages.
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