Domaine technique de l'invention
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La présente invention concerne de manière générale la fabrication de composants horlogers, et en particulier, l'invention concerne la fabrication de composants horlogers à partir d'un substrat de base qui comprend au moins une couche de support et une couche de travail supportée par la couche de support et dans laquelle les composants horlogers sont gravés. Un tel procédé de fabrication comprend généralement des étapes de micro-fabrication incluant la lithographie et la gravure d'une plaquette comprenant une couche en silicium pour former les motifs des composants horlogers ainsi que des étapes de fabrication postérieures à la gravure telles que la libération des composants et le lissage des surfaces gravées
État de la technique
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La fabrication de composants horlogers en silicium tels que, mais de façon non limitative, des ressorts spiraux, des cames, des ressorts, des cliquets, des roues et des ancres en utilisant des procédés de micro-fabrication 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 par gravure dans une plaquette en silicium. Les procédés de réalisation de ces composants horlogers utilisent généralement des plaquettes de silicium monocristallin, mais des plaquettes en silicium polycristallin ou silicium amorphe sont également utilisables.
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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. De plus, les variations du module d'Young d'un composant horloger en silicium en fonction de la température peuvent être compensées par l'ajout d'une couche d'oxyde sur le composant. 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.
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Les plaquettes de silicium peuvent être proposées sous forme de couche simple sans couche de support, par exemple des plaquettes simples de type SSP (« Single Side polished » en anglais) ou de type DSP (« Dual Side Polished » en anglais). Le document
EP3495894 décrit un procédé de fabrication de composants horlogers en silicium utilisant une telle plaquette comprenant une couche simple en silicium sans couche de support. Selon ce document, la plaquette simple a une épaisseur sensiblement égale à l'épaisseur maximale des composants horlogers à fabriquer, et pour former les composants horlogers, on effectue une étape de gravure dans toute l'épaisseur de la plaquette, la totalité du matériau du composant présent dans la plaquette étant ainsi utilisée pour former les composants horlogers, sans fonction de support dans la plaquette. Après leur formation, les composants horlogers ne sont supportés structurellement que par des ponts de liaison fins qui les maintiennent attachés aux parties subsistantes de la couche simple en silicium, et il est possible d'effectuer des étapes de fabrication subséquentes sur la quasi-totalité de la surface externe des composants sans qu'il soit nécessaire d'effectuer une étape de libération des composants auparavant. Cependant, dans le procédé de fabrication du document
EP3495894 , l'étape de gravure est délicate car elle a lieu dans une plaquette relativement mince, et donc fragile, sans aucun support.
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Selon d'autres approches et pour palier notamment le problème susmentionné de défaut de support des plaquettes simple couche, des plaquettes SOI (« silicon-on-insulator » en anglais) sont aussi 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 typiquement 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). La surface de la couche de travail et éventuellement la surface de la couche de support peuvent également être polies pour faciliter des étapes de lithographie sur ces couches.
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Après les étapes de lithographie et de gravure pour initialement former les composants horlogers dans la couche de travail d'un wafer SOI, ces derniers sont normalement libérés de la couche de support et de la couche d'oxyde enterrée de la plaquette SOI en utilisant des techniques de micro-fabrication 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 de liaison 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 notamment comprendre des étapes d'oxydation et de désoxydation pour le lissage des surfaces des composants. Les étapes subséquentes peuvent également comprendre des étapes d'oxydation et de désoxydation 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.
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La libération des composants horlogers sur une plaquette SOI peut être réalisée par différentes méthodes. Selon une approche 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 facilitée 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 fluorhydrique (HF) qui passe au travers des ouvertures formées 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. Une autre approche de libération est décrite dans les documents de brevet
JP2017219520 et
WO2019180177 . Selon cette approche, 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. 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 supprime 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.
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Ces approches de libération des composants horlogers dans une plaquette SOI impliquent des étapes de micro-fabrication supplémentaires dans une salle blanche et sont par conséquent relativement longues, complexes et chères. Il serait alors souhaitable d'avoir un procédé de fabrication de composants horlogers en silicium plus simple, plus rapide et moins coûteux.
Exposé de l'invention
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Un but de la présente invention est de répondre aux inconvénients de l'art antérieur mentionnés ci-dessus et en particulier, tout d'abord, de proposer un procédé de fabrication d'une pluralité de composants horlogers sur une plaquette comprenant une couche de travail en silicium, une couche de support et une couche enterrée agencée entre la couche de travail et la couche de support, le procédé de fabrication permettant d'éviter ou de pallier les inconvénients ci-dessus, ou en tout cas d'offrir un meilleur compromis entre ces inconvénients.
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Pour cela un premier aspect de l'invention concerne un procédé de fabrication de composants horlogers, comprenant les étapes consistant à :
- (a) se munir d'une plaquette comprenant une couche de support, une couche de travail et une couche enterrée formée en graphène et séparant la couche de travail de la couche de support,
- (b) graver au moins une partie des composants horloger dans la couche de travail,
- (c) séparer la couche de travail de la couche de support et/ou de la couche enterrée formée en graphène.
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Selon la mise en oeuvre ci-dessus, le procédé de fabrication est conduit sur une plaquette comprenant une couche enterrée. En particulier, la couche enterrée est fabriquée en graphène. Une fois la couche de travail gravée, la couche de travail est libérée de la couche enterrée en graphène, notamment sans effectuer de gravure de la couche de support, et/ou sans effectuer de gravure supplémentaire dédiée à la libération dans la couche de travail, et/ou sans graver à l'acide fluorhydrique la couche enterrée (puisqu'il n'y a pas besoin de supprimer la couche enterrée typiquement réalisée en oxyde de silicium dans l'art antérieur. Cependant, il n'est pas exclu qu'une couche d'oxyde de silicium soit présente, notamment entre la couche de graphène et la couche de support).
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Le procédé de fabrication peut comprendre les caractéristiques suivantes, prises individuellement ou en combinaison.
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Selon un mode de réalisation, l'étape (c) comprend une étape de séparation mécanique pour séparer la couche de travail de la couche de support et/ou de la couche enterrée. Une telle étape de séparation mécanique, notamment exempte d'utilisation de solvant ou d'agent d'attaque ou de gravure chimique, est rapide et/ou requiert peu d'équipements. La couche de travail peut être séparée mécaniquement de la couche support en clivant la couche de graphène enterrée, i.e. en propageant une fissure entre des couches sp2 du graphène par un effort mécanique judicieux. Le procédé peut comprendre, à l'étape c) ou à une étape ultérieure de l'étape c), une étape de combustion du carbone constituant le graphène pour nettoyer la surface de la couche de travail et/ou la couche de support afin de terminer la fabrication, ou tout autre procédé de nettoyage (plasma ou par voie liquide par exemple).
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Selon un mode de réalisation, l'étape (c) comprend une étape consistant à apposer un applicateur de contrainte ou une interface de traction comme une bande adhésive sur au moins une partie de la couche de travail. Un tel applicateur de contrainte permet de répartir une contrainte de traction ou d'arrachement sur la couche de travail pour permettre la séparation mécanique sans dépasser localement la limite élastique ou la limite à la rupture de la couche de travail. Selon un mode de réalisation, cela peut être une application directe d'un adhésif, par exemple un adhésif réversible, comme un adhésif sensible aux rayons UV par exemple. L'effort de délamination peut directement être appliqué pour décoller les bords avec un adhésif.
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Selon un mode de réalisation, on peut aussi utiliser des colles que l'on applique uniquement sur des zones non fonctionnelles de la couche de travail (c'est-à-dire en dehors des pièces horlogères). Selon un mode de réalisation, on peut utiliser une autre plaquette de soutien pour lier ces zones non fonctionnelles via les points de colle avant d'appliquer un effort de décollement à la plaquette de soutien pour séparer la couche de travail de la couche de support et/ou de la couche enterrée.
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Selon un mode de réalisation, on peut aussi utiliser de la colle réversible ou soluble dans un solvant.
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Selon un mode de réalisation, on peut aussi utiliser une surface ou membrane poreuse, appliquer un vide ou une aspiration, pour séparer la couche de travail de la couche de support et/ou de la couche enterrée en tirant sur cette surface ou membrane poreuse.
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Selon un mode de réalisation, l'étape (c) comprend une étape consistant à appliquer un effort d'arrachement sur l'applicateur de contrainte pour séparer la couche de travail de la couche de support et/ou de la couche enterrée. L'applicateur de contrainte sert d'interface d'accostage ou de traction ou d'arrachement pour séparer la couche de travail de la couche de support et/ou de la couche enterrée.
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Selon un mode de réalisation, l'étape (c) comprend une étape consistant à apposer une interface d'application d'effort (de traction) sur au moins une partie de l'applicateur de contrainte, comme par exemple une étape consistant à apposer une bande adhésive sur l'applicateur de contrainte. Selon un mode de réalisation, l'étape (c) comprend une étape consistant à apposer une interface d'application d'effort (de traction) sur au moins une partie de la couche de travail, comme par exemple une étape consistant à apposer une bande adhésive sur au moins une partie de la couche de travail.
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Selon un mode de réalisation, l'étape (c) comprend une étape consistant à insérer un coin, comme par exemple une lame, entre la couche de travail de la couche enterrée. Une telle lame peut présenter une épaisseur inférieure à 0.2 mm, inférieure à 0.1 mm, inférieure à 0.05 mm.
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Selon un mode de réalisation, l'étape (c) est suivie par une étape consistant à réutiliser la couche de support, et optionnellement la couche enterrée, pour supporter une nouvelle couche de travail afin de fabriquer d'autres composants horlogers. Une telle réutilisation de la couche de support (et optionnellement de la couche enterrée) procure une économie significative de moyens et cela réduit notablement les impacts en besoins de matière première.
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Selon un mode de réalisation, la nouvelle couche de travail est directement formée sur la couche enterrée conservée, de préférence la nouvelle couche de travail est formée par croissance épitaxiale depuis la couche enterrée conservée.
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Selon un mode de réalisation, la réutilisation de la couche de support comprend :
- optionnellement, l'élimination de la couche enterrée,
- la formation d'une nouvelle couche enterrée en graphène,
- la formation de la nouvelle couche de travail sur la nouvelle couche enterrée.
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Selon un mode de réalisation, l'étape (a) ou la réutilisation comprend une étape consistant à former la couche enterrée sur la couche de support.
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Selon un mode de réalisation, l'étape (a) ou la réutilisation comprend une étape consistant à former directement la couche enterrée sur la couche de support, par exemple par croissance épitaxiale. On peut par exemple effectuer un dépôt chimique en phase vapeur pour créer la couche enterrée en graphène.
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Selon un mode de réalisation, l'étape (a) ou la réutilisation comprend les étapes consistant à :
- déposer sous vide du graphène sur l'une de la couche de support et de la nouvelle couche de travail, ou sur les deux,
- accoler sous vide la couche de support et la nouvelle couche de travail, de sorte à réaliser un collage ou un assemblage entre la couche de support et la nouvelle couche de travail.
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Selon un mode de réalisation, l'étape (a) ou la réutilisation comprend les étapes consistant à :
- former la couche enterrée sur un substrat donneur,
- transférer la couche enterrée depuis le substrat donneur vers la couche de support. Dans ce mode de réalisation, la couche enterrée en graphène est d'abord formée sur un autre substrat (le substrat donneur), puis transférée sur la couche de support. On peut par exemple effectuer sur le substrat donneur un dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Le substrat donneur peut comprendre du nickel ou du cuivre. Alternativement, le substrat donneur peut comprendre au moins l'un de SiO2, HfO2, Al2O3, Si3N4, ou un autre matériau plan qui est compatible avec les hautes températures exigées par un dépôt chimique en phase vapeur. On peut prévoir de recouvrir la couche de graphène avec un polymère (par exemple du PMMA déposé à la tournette), dissoudre le substrat donneur (par exemple dans du FeCl3 dans le cas d'un substrat donneur en cuivre). On peut prévoir de déposer la couche de graphène (avec la couche de PMMA) sur la couche de support et de retirer la couche de PMMA (avec un solvant tel que de l'acétone, et/ou avec un recuit par exemple à 350°C). On peut aussi prévoir de redéposer la couche de graphène (avec la couche de PMMA) sur un deuxième substrat donneur, retirer la couche de PMMA (avec un solvant tel que de l'acétone, et/ou avec un recuit par exemple à 350°C), et redéposer une nouvelle couche de graphène, avant de faire le transfert sur la couche de support (via l'application d'une couche de PMMA, dissolution du deuxième substrat support, transfert sur la couche de support et retrait de la couche de PMMA).
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Selon un mode de réalisation, l'étape de transfert de la couche enterrée depuis le substrat donneur vers la couche de support comprend les étapes consistant à :
- attacher à la couche enterrée encore disposée sur le substrat donneur un film support comprenant par exemple un film épais de poly(méthacrylate de méthyle), de préférence dissoudre le substrat donneur, dans de l'acide s'il est métallique (par exemple dissoudre un substrat donneur en cuivre dans du chlorure de fer (III) - FeCl3), transférer la couche enterrée depuis le substrat donneur vers la couche de support, et dissoudre le film support une fois la couche enterrée disposée sur la couche de support, ou
- fixer à la couche enterrée encore disposée sur le substrat donneur une couche de tampon comprenant un matériau élastomère tel que le polydiméthylsiloxane, décaper le substrat donneur, transférer la couche enterrée vers la couche de support, et détacher, par exemple mécaniquement la couche de tampon de la couche enterrée disposée sur la couche de support, ou
- fixer à la couche enterrée encore disposée sur le substrat donneur une couche autodécollante comprenant par exemple du polystyrène ou du poly(isobutylène) ou du téflon, placer un tampon en contact avec la couche autodécollante, graver le substrat donneur pour laisser libre l'ensemble tampon-couche autodécollante-couche enterrée, transférer la couche enterrée depuis le substrat donneur vers la couche de support, et une fois la couche enterrée disposée sur la couche de support, détacher, par exemple mécaniquement le tampon et dissoudre la couche autodécollante, par exemple avec de l'acétone.
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Selon un mode de réalisation, une fois la couche enterrée formée sur la couche de support, l'étape (a) ou la réutilisation comprend la formation de la couche de travail sur la couche enterrée, par exemple par croissance épitaxiale.
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Selon un mode de réalisation, la couche enterrée comprend une seule monocouche de graphène, ou une pluralité de monocouches de graphène. Avec une seule monocouche de graphène, on peut prévoir une croissance épitaxiale pour fabriquer la couche de travail, en accord de maille cristalline avec la couche de support. Avec une pluralité de couches de graphène, l'utilisation du graphène comme semence pour fabriquer la couche de travail est possible nonobstant l'existence d'une non-concordance partielle de maille cristalline entre le silicium de la couche de travail et le graphène, car le graphène facilite l'épitaxie de Van Der Waals de la couche de travail. Il est également possible pour la couche de support et la couche de graphène de servir de semence pour la croissance de la couche de travail.
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Selon un mode de réalisation, le procédé de fabrication comprend une étape consistant à : (d) effectuer au moins une opération de fabrication sur les composants horlogers de la couche de travail séparée, en manipulant la couche de travail seule ou accouplée à une plaque support et/ou en effectuant une opération ou un traitement sur au moins une face des composants horlogers libérée de la couche enterrée et de préférence sur une face supérieure et une face inférieures des composants horlogers. Durant cette étape de fabrication sur les composants horlogers de la couche de travail séparée, les composants horlogers sont encore pontés ou attachés à la couche de travail. On peut typiquement prévoir au moins une des opérations suivantes : oxydation des composants horlogers en silicium, désoxydation des composants horlogers, application d'une compensation thermique, détachage des composants horlogers...
Description des figures
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D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit de mode(s) de réalisation de l'invention donné(s) à titre d'exemple(s) nullement limitatif(s) et illustré(s) par les dessins annexés, dans lesquels :
- [fig. 1a-1h] représentent schématiquement une série d'étapes de fabrication d'un composant horloger dans une plaquette SOI selon un mode de réalisation;
- [fig. 2a-2b] représentent schématiquement une première mise en oeuvre de séparation mécanique d'une couche de travail de la plaquette SOI travaillée aux figures 1a-1h ;
- [fig. 2c] représente schématiquement une alternative de la première mise en oeuvre de séparation mécanique des figures 2a et 2b d'une couche de travail de la plaquette SOI travaillée aux figures 1a-1h ;
- [fig. 3a-3b] représentent schématiquement une deuxième mise en oeuvre de séparation mécanique d'une couche de travail de la plaquette SOI travaillée aux figures 1a-1h;
- [fig. 4a-4c] représentent schématiquement une première mise en oeuvre de réutilisation d'une couche de support de la plaquette SOI travaillée aux figures 1a-1h;
- [fig. 5a-5b] représentent schématiquement une deuxième mise en oeuvre de réutilisation d'une couche de support de la plaquette SOI travaillée aux figures 1a-1h.
Description détaillée de mode(s) de réalisation
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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.
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Les figures 1a-1h illustrent une série d'étapes de fabrication schématiques d'un composant horloger dans une plaquette composite 10, à l'instar d'une plaquette SOI conventionnelle, mais comprenant une couche enterrée en graphène, selon un mode de réalisation de l'invention. Bien entendu, plusieurs composants horlogers peuvent être fabriqués dans la plaquette 10 en même temps, mais les vues des figure 1a-1h sont focalisées sur un seul composant pour plus de simplicité. 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 réalisée en graphène séparant les deux couches de silicium 20, 30.
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A titre d'alternative, la couche de support 20 peut être réalisée en un autre matériau et peut comprendre au moins l'un de SiO2, SiC, HfO2, Al2O3, Si3N4.
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Le graphène est un nanomatériau carbone bidimensionnel constitué d'atomes de carbone dans un réseau hexagonal en nid d'abeille avec des orbitales hybrides sp2. Le graphène peut être un des matériaux les plus minces produits artificiellement, avec une épaisseur d'un seul atome de carbone seulement, c'est-à-dire environ 0.335 nm. Le graphène constitue une forme allotropique du carbone dont l'empilement constitue techniquement le graphite. Néanmoins, plusieurs monocouches de graphène sont aussi souvent appelées ensemble graphène (et on utilise aussi le terme de cette manière dans la présente description).
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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 correspondant sensiblement à une épaisseur des composants à former, et par exemple une épaisseur de 120 µm, et la couche enterrée 40 peut avoir une épaisseur très mince, en particulier s'il est prévu une seule monocouche de graphène. Bien entendu, on peut prévoir plusieurs couches de graphène. 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.
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Dans la figure 1b, une étape de lithographie commence avec la formation d'une couche d'oxyde de silicium 50 sur la surface supérieure de la couche de travail 30. 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 1b. 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 support 20 (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 effectué sur la surface de la couche de support 20. De manière générale, la formation de la couche d'oxyde 50 avant le dépôt d'une couche de résine (voir la figure 1c) permet de déposer une couche de résine relativement fine et qui peut donc être assez uniforme avec une bonne homogénéité de surface et ainsi d'optimiser la gravure subséquente de motifs fins et profonds dans la couche de travail 30. Cependant, dans d'autres modes de réalisation, il est également possible de réaliser une étape de lithographie sans la couche d'oxyde, notamment en utilisant une résine photosensible plus épaisse qui peut être moins uniforme.
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A la figure 1c, 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 1d, 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 photo masque. Un système de stepper et réticule peut également être utilisé pour l'étape de photolithographie, ou alors un système d'écriture directe (i.e. sans photo masque) tel qu'un système de lithographie par laser ou par faisceau d'électrons (la lithographie e-beam). Dans l'exemple illustré, la couche 60 comprend une résine photosensible de type négatif (du SU-8 par exemple) dont les parties de la résine qui sont exposées à la lumière deviennent insolubles dans un révélateur et les parties non exposées restent solubles. On peut également utiliser une résine photosensible de type positif dont les parties de la résine qui sont exposées à la lumière deviennent solubles dans un révélateur et les parties non exposées restent insolubles.
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Dans la figure 1e, la couche de résine 60 est ouverte après avoir été développée par un révélateur, notamment un solvant qui élimine les parties non-exposées de la résine par voie chimique (dans le cadre d'une résine photosensible de type positif le solvant élimine les parties exposées de la résine par voie chimique). Ensuite, à la figure 1f, les parties de la couche oxyde 50 qui se trouvaient en dessous des parties non-exposées de la résine sont aussi retirées de la surface de la couche de travail 30, par exemple en employant une gravure plasma sélective directionnelle utilisant un ou plusieurs gaz fluorés (tels que CHF3, C4F8, et/ou SF6) en combinaison avec au moins un des gaz He et/ou H2 en fonction des sélectivités et des vitesses de gravure souhaitées. 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.
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A l'étape illustrée à la figure 1g, la partie restante de la couche de résine 60 est éliminée et ensuite, à l'étape de la figure 1h, des motifs sont gravés dans la couche de travail 30 au travers de la couche 50 structurée pour former le composant horloger 100. En général, les motifs gravés s'étendent sur toute l'épaisseur de la couche de travail 30 tel qu'illustré, et à cette fin la couche enterrée 40 peut agir comme un stop lors de la gravure. De cette manière, l'épaisseur des composants horlogers 100 correspond à l'épaisseur de la couche de travail 30.
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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). La gravure DRIE peut être réalisée par pulses et permet d'usiner des trous et des tranchées profondes dans la couche 30 avec un rapport largeur/hauteur important, ce qui est bien adapté pour des composants micromécaniques comme des composants horlogers. La gravure peut être une gravure de type RIE ou DRIE pouvant utiliser le SF6 comme agent de gravure. La gravure de type DRIE est hautement sélective et se termine complètement sur le graphène, même avec une seule monocouche de graphène, permettant un contrôle atomiquement précis des profondeurs de gravure.
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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 travail 30. Cette partie restante de la couche de résine peut être retirée après la gravure, et dans ce cas la couche de travail 30 est gravée au travers des deux couches 50, 60 structurées (ou seulement à travers la couche 60 structurée si une couche oxyde 50 n'est pas présente). A titre d'exemple, une résine positive peut être retirée par des solvants de type acétone ou diméthylsulfoxyde (DMSO) ou avec un plasma O2 soit avant soit après l'étape de gravure. Pour une résine négative comme le SU-8, un plasma CF4/O2 peut être employé pour son retrait.
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Après l'étape de gravure de la couche de travail pour former les composants horlogers 100, il est connu que les surfaces des flancs des motifs structurés des composants 100 possèdent une rugosité relativement importante. Dans le cadre d'une gravure type DRIE, cette rugosité se manifeste en forme d'une surface avec des ondulations souvent appelées « scallops » avec des pics. En fait, lors d'une gravure DRIE on alterne entre une phase de gravure du silicium et une phase de passivation ce qui résulte en la surface ondulée. Après une gravure DRIE ou un autre type de gravure, la rugosité des surfaces peut être réduite par une étape de lissage, ce qui renforce ces surfaces mécaniquement en limitant les amorces de rupture. 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 ou en phase vapeur à base d'acide fluorhydrique (HF). De manière connue, lors de l'oxydation thermique, le silicium à la surface est consommé, et cette consommation est généralement plus rapide vers les pics ce qui résulte en une surface de silicium plus lisse après la désoxydation. De préférence, un tel lissage peut avoir lieu après la libération de l'étape de la figure 1h décrite ci-dessous, mais un lissage des surfaces des flancs peut également avoir lieu avant cette étape.
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Au stade de la figure 1h, les composants horlogers 100 sont formés dans la couche de travail 30 et encore solidaires de la plaquette 10. Au lieu d'effectuer une libération par voie chimique comme avec une couche enterrée en oxyde de silicium, la présente invention propose de tirer parti de la faible adhérence de la couche enterrée 40 en graphène, pour effectuer une séparation mécanique de la couche de travail 30. En effet, la faible force de van der Waals de graphène ne permet pas une liaison forte avec des matériaux adjacents. Cela permet une séparation mécanique relativement aisée à l'interface entre la couche de travail 30 et la couche enterrée 40 en graphène pour réaliser la libération. En particulier, si la couche enterrée 40 en graphène a été formée par dépôt PVD sur une couche de dioxyde de silicium initialement présente sur la couche de support 20, et/ou si la couche de travail 30 a été apposée par pression sur la couche enterrée 40 en graphène, alors la couche enterrée 40 en graphène restera préférentiellement sur la couche de support 20 : la délamination sera préférentielle du côté de la couche de travail 30.
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Après la séparation de la couche de travail 30, les composants horlogers 100 sont libérés et ne sont supportés structurellement dans la couche de travail que par des ponts de liaison (non illustrés). Cela permet la réalisation des étapes de fabrication subséquentes sur la quasi-totalité de la surface externe des composants horlogers. De telles étapes de fabrication subséquentes peuvent comprendre une première (ou une autre) étape d'oxydation thermique suivie par une étape de désoxydation, et peuvent être réalisées pour effectuer un lissage des surfaces des composants.
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On peut prévoir (immédiatement après la séparation de la couche de travail 30 ou ultérieurement) des opérations visant à supprimer des atomes de carbone issus de la couche enterrée 40 en graphène et restés collés à la couche de travail 30 (ou à la couche de support 20 le cas échéant). On peut prévoir une étape de cuisson, de recuit, de combustion, de nettoyage par un plasma ou par voie liquide.
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Par ailleurs, on peut effectuer une autre étape d'oxydation suive par une désoxydation pour ajuster les dimensions des composants, ou on peut former une couche d'oxyde de silicium (SiO2) permanente sur au moins une partie de toute la surface externe des composants horlogers 100. Dans le cadre d'un spiral ou d'un autre type de résonateur horloger, une telle couche d'oxyde permanente peut compenser les variations du module d'Young de l'âme en silicium du composant horloger en fonction de la température.
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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. D'autres types de matériaux peuvent également être formés sur les composants horlogers 100, par exemple par un dépôt type ALD. Il est également possible d'effectuer une étape de pré-assemblage ou d'usinage des composants horlogers 100 lorsqu'ils sont toujours attachés à la couche de travail libérée, comme par exemple pour assembler le composant à un axe, un tigeron, un piton ou une virole.
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Les figures 2a, 2b représentent schématiquement une première mise en oeuvre de séparation mécanique de la couche de travail 30 de la plaquette 10. Selon ce premier mode de réalisation, la couche de travail 30 peut être séparée à l'aide d'un applicateur de contrainte 91 fixé à la couche de travail 30. On peut par exemple prévoir d'utiliser un film à haute résistance, comme un film de nickel déposé par dépôt chimique en phase vapeur à 1.10-5 Torr par exemple. On peut ensuite prévoir de déposer une bande adhésive 92 sur l'applicateur de contrainte 91 pour pouvoir exercer un effort de traction ou d'arrachement sur la couche de travail 30, et la séparer de la couche enterrée 40 en graphène et de la couche de support 20 comme le montre la figure 2b.
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Selon une alternative représentée figure 2c, on peut prévoir de coller directement la bande adhésive 92 sur la couche de travail 10. On peut prévoir de recouvrir une partie des composants horlogers (comme le montre la figure 2c), mais on peut prévoir de recouvrir tous les composants horlogers. On peut prévoir une bande adhésive qui se détériore aux UV, pour pouvoir décoller la couche de travail, et ensuite faire une exposition aux UV pour affaiblir les forces de liaison de la bande adhésive. On peut tout aussi bien prévoir une bande adhésive à dissoudre après avoir décoller la couche de travail 10, en appliquant un solvant.
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Les figures 3a et 3b représentent schématiquement une deuxième mise en oeuvre de séparation mécanique de la couche de travail 30 de la plaquette 10. Selon ce deuxième mode de réalisation, on peut utiliser une lame 93 que l'on insère (figure 3a) entre la couche de travail 30 et la couche de support 20, pour les séparer l'une de l'autre (figure 3b).
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On peut noter que la séparation mécanique de la couche de travail 30 est rapide et ne nécessite pas l'utilisation d'agent de gravure chimique comme pour une couche enterrée en oxyde de silicium.
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Avantageusement, après la libération de la couche de travail 30, la couche de support 20 et la couche enterrée 40 en graphène peuvent être réutilisées pour un nouveau cycle de fabrication avec une autre couche de travail 30' qui peut être formée sur ces couches. Alternativement, la couche enterrée 40 en graphène peut également être libérée ou séparée mécaniquement de la couche de support 20, ou la couche enterrée 40 en graphène peut être éliminée par une attaque chimique (par exemple, une gravure plasma à base de O2 ou de O2/Ar). Dans ce cas, une nouvelle couche enterrée 40 en graphène peut être formée sur la couche de support 20 et une autre couche de travail 30 peut être formée sur cette couche enterrée 40 en graphène avant d'entamer un prochain cycle de fabrication avec une nouvelle plaquette de fabrication 10. Dans tous ces cas, la couche enterrée 40 en graphène protège la couche de support 20 contre les dommages, ce qui permet son utilisation à plusieurs reprises et sert à réduire les coûts de fabrication. L'utilisation de la couche enterrée 40 en graphène favorise la réutilisation parce qu'elle crée une surface de libération atomiquement lisse. On peut alors réutiliser la couche enterrée 40 en graphène et la couche de support 20 pour de multiples cycles de de fabrication de composants horlogers sans avoir besoin d'une étape de polissage pour la couche de support 20 et sans endommager la couche enterrée 40 en graphène, en raison de sa robustesse mécanique.
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Les figure 4a-4c représentent schématiquement une première mise en oeuvre de réutilisation de la couche de support 20 de la plaquette SOI 10 travaillée aux figures 1a-1h.
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En premier lieu, la couche enterrée 40 en graphène peut être formée directement sur la couche de support 20 comme le montre la figure 4a. La couche enterrée 40 en graphène peut comprendre un graphène épitaxial avec une orientation monocristalline qui croît sur un substrat cristallin approprié qui promeut cette croissance. Par exemple, si la couche de support n'est pas en silicium, la couche de graphène peut être formée sur la face silicium d'un substrat cristallin en carbure de silicium hexagonal (0001) 4H-SiC. Dans ce cas, la fabrication de la couche enterrée 40 en graphène peut comprendre plusieurs étapes de recuit. Une première étape de recuit peut être réalisée dans du gaz H2 pour réaliser la gravure de surface, et une deuxième étape de recuit peut être réalisée dans de l'Ar pour la graphitisation à haute température (par exemple, supérieure à 1575 °C).
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Dans un autre exemple, la couche enterrée 40 en graphène peut être développée sur un substrat formé par la couche de support 20 par un dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Le substrat peut comprendre du nickel ou du cuivre. Alternativement, le substrat peut comprendre au moins l'un de SiO2, HfO2, Al2O3, Si3N4, ou un autre matériau plan qui est compatible avec les hautes températures exigées par un dépôt CVD.
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Une fois la couche enterrée 40 en graphène formée, ou dans le cas où la couche enterrée 40 en graphène est restée sur la couche de support 20, on peut prévoir d'apposer, par pression, une nouvelle couche de travail 30' directement sur la couche enterrée 40 en graphène. La pression et la température sont des paramètres à contrôler lors de se pressage
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Alternativement, on peut former une nouvelle couche de travail 30' directement sur la couche enterrée 40 en graphène. A titre d'exemple, on peut prévoir une croissance épitaxiale lors d'un dépôt chimique en phase vapeur (figure 4b) à des températures entre 1000°C et 1200°C avec des gaz source comme du dichlorosilane, ou du trichlorosilane pour obtenir une couche de travail 30' (figure 4c) et une plaquette 10 prêtes à suivre un nouveau cycle de fabrication de composants horlogers, illustré à la figure 1a.
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Dans le détail et selon une première approche, où la couche enterrée 40 en graphène est suffisamment mince (par exemple elle consiste en une seule monocouche de graphène) la couche de travail 30 en silicium est en accord de maille cristalline avec la couche de support 20 et cette dernière sert de semence pour la croissance de la couche de travail 30. Ici, la couche de travail 30 et la couche de support 20 peuvent notamment être du même type (voire de la même orientation) de silicium monocristallin.
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Selon une autre approche, où la couche enterrée 40 en graphène est suffisamment épaisse et comprend notamment plusieurs monocouches de graphène, la couche enterrée 40 en graphène peut servir comme semence pour la couche de travail 30. En général, l'utilisation du graphène comme semence pour fabriquer la couche de travail 30 est possible nonobstant l'existence d'une non-concordance de maille cristalline partielle entre le silicium de la couche de travail 30 et le graphène, car le graphène facilite l'épitaxie de Van Der Waals de la couche de travail 30. Il est également possible pour la couche de support 20 et la couche enterrée 40 en graphène de servir de semence pour la croissance de la couche de travail 30.
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Les figures 5a-5b représentent schématiquement une deuxième mise en oeuvre de réutilisation de la couche de support 20 de la plaquette SOI 10 travaillée aux figures 1a-1h.
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Dans cette deuxième mise en oeuvre, la couche enterrée 40 en graphène peut être développée sur un substrat donneur 21 par un dépôt chimique en phase vapeur (CVD) comme le montre la figure 5a. Le substrat donneur 21 peut comprendre de nickel ou de cuivre. Alternativement, le substrat donneur 21 peut comprendre au moins l'un de SiO2, HfO2, Al2O3, Si3N4, ou un autre matériau plan qui est compatible avec les hautes températures exigées par un dépôt CVD.
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Diverses méthodes peuvent être utilisées pour transférer la couche enterrée 40 en graphène du premier substrat donneur 21 à la couche de support 20. Dans un exemple, un film support peut être attaché à la couche enterrée 40 en graphène. Le film support peut comprendre un film épais de poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) ou une ruban thermoadhésif et la fixation peut être réalisée par un processus d'enduction à la tournette. Une fois que la combinaison du film de support et de la couche enterrée 40 en graphène est disposée sur la couche de support 20, le film de support peut être dissous (par exemple, dans de l'acétone). On obtient la couche de support 20 et la couche enterrée 40 en graphène comme le montre la figure 5b.
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Dans un autre exemple, une couche de tampon comprenant un matériau élastomère tel que le polydiméthylsiloxane (PDMS) peut être fixée à la couche enterrée 40 en graphène et le substrat donneur 21 peut être décapé, laissant la combinaison de la couche de tampon et de la couche enterrée 40 en graphène. Une fois que la couche de tampon et la couche enterrée 40 en graphène sont placées sur le la couche de support 20, la couche de tampon peut être enlevée par détachement mécanique, produisant la couche enterrée 40 en graphène pour la suite.
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Dans encore un autre exemple, une méthode de transfert autodécollante (comprenant par exemple du polystyrène, du poly(isobutylène), du téflon) peut être utilisée pour transférer la couche enterrée 40 en graphène sur la couche de support 20. Dans cette méthode, une couche autodécollante est d'abord filée sur la couche enterrée 40 en graphène sur le substrat donneur 21. Un tampon élastomère est ensuite placé en contact avec la couche autodécollante. Le substrat donneur peut être gravé pour laisser la combinaison de la couche de tampon, de la couche autodécollante et de la couche de graphène. Une fois cette combinaison placée sur la couche de support 20, la couche d'estampage peut être retirée mécaniquement et la couche autodécollante peut être dissoute (par de l'acétone par exemple) dans des conditions douces dans un solvant approprié.
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Après le transfert depuis le substrat donneur 21, la couche enterrée 40 en graphène a une tendance à s'adhérer à la couche de support 20. Les principaux facteurs affectant l'adhésion du graphène sont (i) le réglage de l'interaction intrinsèque avec le substrat, à savoir de s'assurer que le substrat cible fournit une interaction plus forte que le substrat donneur ou un support polymère temporaire employé pour la transfert ; (ii) le réglage de l'interaction intrinsèque avec le graphène et (iii) la manipulation de la distance entre le graphène et le substrat, où un contact conforme étroit entre le graphène et le substrat cible tendra à atténuer des éventuels problèmes survenant lors du recollage, tels que les rides.
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Une fois la couche enterrée 40 de graphène réalisée, on peut apposer ou déposer la couche de travail 30, comme expliqué ci-dessus en relation à la figure 4c.
Application industrielle
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Un procédé de fabrication selon la présente invention est susceptible d'application industrielle.
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On comprendra que diverses modifications et/ou améliorations évidentes pour l'homme du métier peuvent être apportées aux différents modes de réalisation de l'invention décrits dans la présente description sans sortir du cadre de l'invention.