Domaine technique de l'invention
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La présente invention se rapporte au domaine de l'horlogerie. Plus précisément, elle concerne un procédé de fabrication d'un composant horloger, notamment d'un composant horloger en silicium.
État de la technique
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Dans le domaine de l'horlogerie, certaines applications requièrent l'utilisation de composants complexes ou multiniveaux.
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Ces composants sont typiquement obtenus en assemblant plusieurs éléments fabriqués séparément. C'est le cas par exemple des ancres, dans lesquelles le dard est assemblé sur la fourchette destinée à coopérer avec un organe réglant d'un mécanisme horloger.
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Par le passé, cet assemblage était réalisé par une technique dite de chassage, qui consiste à introduire à force un axe d'un élément à assembler dans un trou de l'autre élément.
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Il y a quelques années, on a aussi commencé à utiliser de nouveaux matériaux pour la fabrication des composants horlogers, dont le silicium.
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Le silicium étant un matériau fragile, il est difficilement compatible avec la méthode d'assemblage par chassage mentionnée précédemment ou à tout le moins peu adapté à la production industrielle du fait des nombreuses pertes liées à la casse. On a donc cherché de nouvelles techniques permettant la fabrication de composants complexes, en silicium.
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Une méthode de fabrication de composants horlogers multiniveaux par gravure dans une plaquette monolithique en silicium a par exemple été décrite dans la demande de brevet
EP 4 283 408 . Selon cette méthode, la plaquette est gravée par l'un de ses côtés, puis le côté gravé est recouvert d'une couche d'arrêt de gravure puis enfin la plaquette est gravée par son second côté, au moins localement jusqu'à ladite couche d'arrêt.
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Mais ce procédé reste relativement complexe.
Résumé de l'invention
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La présente invention propose un nouveau procédé pour la fabrication de composants multiniveaux en silicium, qui soit une alternative au procédé connu de l'art antérieur et qui soit notamment plus simple de mise en oeuvre.
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Dans ce but, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'au moins un composant horloger, comprenant au moins les étapes suivantes :
- a) on fournit un substrat présentant un premier côté et un deuxième côté opposés dans une direction transversale, ledit substrat comprenant une couche utile en silicium,
- d) par le premier côté du substrat, on réalise une gravure dite primaire d'au moins une zone primaire de ladite couche utile, de sorte à former au moins un bord d'un premier niveau du composant, et
- i) par le premier côté du substrat, on réalise une gravure dite secondaire d'au moins une zone secondaire de la couche utile, de sorte à former au moins un bord d'un deuxième niveau du composant.
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Les étapes a), d) et i) sont typiquement réalisées dans cet ordre, avec interposition éventuelle d'autres étapes complémentaires.
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Le procédé selon l'invention permet la fabrication d'un composant horloger à au moins deux niveaux, autrement dit un composant comprenant une face supérieure, une face inférieure et au moins une surface intermédiaire entre lesdites faces supérieure et inférieure, la face supérieure, la face inférieure et la surface intermédiaire étant orthogonales ou sensiblement orthogonales à une direction transversale correspondant à la direction transversale du substrat dont le composant est issu et donc à la direction de la gravure ayant permis de l'obtenir.
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Pour former ces deux niveaux, une épaisseur restante de silicium à l'issue de la gravure est différente sur la zone primaire et sur la zone secondaire.
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Typiquement, dans l'une parmi la gravure primaire et la gravure secondaire la couche utile est gravée sur toute son épaisseur (i.e. l'épaisseur restante de silicium est nulle) et dans l'autre parmi la gravure primaire et la gravure secondaire la couche utile est gravée sur une épaisseur intermédiaire strictement inférieure à son épaisseur totale.
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La gravure sur une épaisseur intermédiaire de la couche utile laisse subsister, sur cette zone, une épaisseur de silicium formant au moins un niveau du composant.
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Les composants obtenus à l'aide du procédé selon l'invention sont des composants monolithiques en silicium. Par composant monolithique on entend ici un bloc massif fait d'un seul matériau.
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Le procédé selon l'invention peut notamment, mais non limitativement, être mis en oeuvre pour la fabrication d'ancres, de roues, de balanciers, de plateaux, d'aiguilles, de spiraux ou encore d'éléments à lame(s) flexible(s).
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Il peut aussi être mis en oeuvre pour la fabrication simultanée, sur un même substrat, d'une pluralité de composants horlogers de même type ou de types différents, et de même forme ou de formes différentes.
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Les gravures primaire et secondaire sont avantageusement des gravures ioniques réactives profondes (aussi appelées gravures DRIE).
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Les zones principale(s) et secondaire(s) peuvent être disjointes ou au moins une zone principale et une zone secondaire peuvent être contiguës. Selon un exemple, au moins une zone primaire ou secondaire, gravée sur toute l'épaisseur de la couche utile, délimite un bord externe du composant horloger.
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Une telle zone peut former une rainure continue définissant un contour fermé. Dans ce cas, le composant a un contour fini, autrement dit, dans une direction orthogonale à la direction transversale, chaque composant horloger est délimité extérieurement par une face latérale formant un contour continu et fermé.
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Dans un autre cas, cette zone peut correspondre au bord externe du composant à l'exception d'une portion non gravée appelée attache assurant la liaison entre le composant et le reste de la couche utile. Ce cas correspond à celui pour lequel on souhaite obtenir une plaquette portant le ou les composants horlogers plutôt qu'un ou des composants individuels.
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Selon un exemple, au moins une zone primaire ou secondaire peut aussi délimiter un trou traversant du composant.
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Le substrat de l'étape a) peut être un substrat massif, sous la forme d'une unique couche monolithique en silicium (couche utile).
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Comme alternative avantageuse, le substrat de l'étape a) peut comprendre la couche utile en silicium, une couche intermédiaire d'oxyde et une couche de rigidification superposées dans cet ordre entre le premier et le deuxième côté. Ce type de substrat, connu sous le nom de substrat SOI (en anglais Silicon On Insulation), a comme avantage que la couche d'arrêt de gravure y est directement intégrée. On peut ainsi s'affranchir de l'étape de réalisation d'une telle couche d'arrêt, présente dans le procédé antérieur de la demande
EP 4 283 408 . Dans un substrat SOI, la couche utile est aussi appelée couche « device ». Son épaisseur est par exemple comprise entre 50 microns et 500 microns. La couche de rigidification est aussi appelée couche « handle » et peut par exemple être en silicium. La couche intermédiaire, qui forme couche d'arrêt, peut notamment être en dioxyde de silicium.
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Le substrat, qu'il soit massif ou de type SOI, est un élément généralement fin et plat, sa direction transversale étant orthogonale à ses premier et deuxième côtés, c'est-à-dire correspondant à la direction de son épaisseur et à la direction selon laquelle il est gravé pendant le procédé.
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Selon un exemple, dans une étape b) préalable à l'étape d), on forme une couche d'oxyde au moins sur le premier côté du substrat, par exemple par oxydation thermique du substrat. L'épaisseur de la couche d'oxyde ainsi formée est typiquement comprise entre 0.5 et 4 microns. Dans la suite de la présente demande, on désignera comme « initial » cet oxyde déposé en tout début du procédé.
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L'oxyde initial peut notamment servir à la réalisation d'un sous-masque de gravure (secondaire). Dans ce cas, le procédé comprend une étape c1) dans laquelle on grave la couche d'oxyde préalablement formée sur le premier côté du substrat, pour former au moins une ouverture recouvrant et/ou délimitant la zone secondaire.
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L'étape c1) peut notamment comprendre les sous-étapes suivantes :
- c1.1) on recouvre la couche d'oxyde avec une couche de résine photosensible,
- c1.2) par photolithographie, on forme dans ladite couche de résine au moins une ouverture recouvrant et/ou délimitant la zone secondaire,
- c1.3) on grave la couche d'oxyde à travers ladite ouverture,
- c1.4) optionnellement, on retire la couche de résine.
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L'au moins une ouverture de l'étape c1 peut couvrir à la fois la zone primaire et la zone secondaire. Elle peut aussi délimiter en partie la zone primaire et/ou la zone secondaire.
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Selon un exemple, le procédé comprend, préalablement à l'étape d), une étape c2) de réalisation d'un masque de gravure primaire comportant au moins une ouverture dont au moins un bord délimite la zone primaire.
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La réalisation de ce masque de gravure primaire peut par exemple inclure les étapes suivantes, réalisées dans cet ordre :
- c2.1) on recouvre le premier côté du substrat avec une couche de résine photosensible,
- c2.2) par photolithographie, on forme dans ladite couche de résine au moins une ouverture dont au moins un bord délimite la zone primaire,
- c2.3) optionnellement, on grave la couche d'oxyde sous-jacente à travers ladite ouverture (dans le cas où une étape b) et/ou c1) est intervenue préalablement).
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Selon qu'une étape b) et/ou c1) a ou non été réalisée préalablement, la couche de résine de l'étape c2.1) peut être déposée directement sur la couche utile ou sur la couche d'oxyde initial formé lors de cette étape b).
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Dans le cas où il y a eu une étape c1) avant c2) (autrement dit en présence d'un sous-masque de gravure secondaire), il est possible, pour faciliter l'alignement, de réaliser dans la résine, à l'étape c2.2), une ou des ouverture(s) dont au moins un bord est légèrement décalé extérieurement par rapport au bord de l'ouverture d'oxyde sous-jacente. On assure ainsi que la totalité de l'ouverture d'oxyde soit libre pour l'étape de gravure.
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Selon un aspect avantageux de la présente invention, les bords issus de la gravure primaire sont protégés au moment de l'étape i) de gravure secondaire. Pour cela, et comme il sera décrit dans la suite, le procédé peut inclure un traitement actif ou un traitement passif de ces bords. Un traitement actif est typiquement un traitement visant le ou les bords de gravure primaire (autrement dit les bords de la couche utile s'étendant en direction transversale ou sensiblement dans cette direction et formés lors de la gravure primaire), et réalisé entre la gravure primaire et la gravure secondaire. Dans le cas d'un traitement passif, la protection peut être inhérente à l'étape de gravure primaire et le procédé peut comprendre la préservation de cette protection présente à l'issue de la gravure primaire, notamment par un choix adéquat des étapes intercalaires entre les gravures primaire et secondaire.
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Selon un exemple, le procédé comprend, après l'étape d) de gravure primaire et avant l'étape i) de gravure secondaire, notamment après l'étape d) et avant une éventuelle étape f) de protection des bords de gravure primaire, une étape e) de retrait de résine (notamment de la résine issue de l'étape c2) et ayant servi à la gravure primaire) sur le premier côté du substrat.
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Selon un exemple, et notamment dans le cas d'un traitement passif des bords de gravure primaire tel que mentionné précédemment, l'étape i) de gravure peut être réalisée en conservant comme protection de l'au moins un bord du premier niveau la couche de passivation des bords de la gravure de l'étape d) (avec la couche de passivation résultant de la gravure primaire préalablement réalisée par DRIE).
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Dans ce cas, afin de préserver les bords de passivation, l'étape e) de retrait de la résine ayant servi à la gravure primaire peut être réalisée par plasma directionnel, c'est-à-dire par un bombardement ionique directionnel, ici dans la direction transversale du substrat. De façon à préserver l'oxyde et le silicium, on utilisera avantageusement un plasma directionnel à l'oxygène.
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Selon un autre exemple, et notamment dans le cas d'un traitement actif tel que mentionné précédemment, le procédé peut aussi comprendre, entre les étapes d) et i), au moins une étape f) dans laquelle on traite l'au moins un bord du premier niveau gravé lors de l'étape d) pour sa protection contre la gravure de l'étape i).
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Dans ce cas, on peut ou non retirer la couche de résine de l'étape c2.1) avant l'étape f) de traitement.
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Selon un exemple, l'étape f) peut comprendre le recouvrement de l'au moins un bord du premier niveau avec une couche de protection.
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L'application de la couche de protection peut se faire, selon le matériau utilisé, par pulvérisation (spray coating), impression (printing), transfert de motif (pattern transfer), dépôt en phase vapeur (PVD), ou toute autre technique adaptée.
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Selon un exemple, la couche de protection peut être une couche de polymère, par exemple du parylène ou une résine. La résine peut notamment être une résine photosensible, par exemple du Su-8.
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Selon un exemple, la couche de protection peut être une couche d'oxyde, notamment d'oxyde de silicium.
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Selon encore un autre exemple, la couche de protection peut aussi être une couche de nitrure.
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Dans le cas d'une couche de protection en oxyde ou en nitrure, celle-ci peut par exemple avoir une épaisseur inférieure à 300 nm, de préférence inférieure à 200 nm, encore préférentiellement inférieure à 150 nm.
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Selon un exemple, à l'étape f), on remplit entièrement les cavités de gravure issues de l'étape d) avec la couche de protection.
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Selon un exemple, à l'étape f) on recouvre également le premier côté du substrat avec la couche de protection puis dans une étape g) on prépare un masque de gravure secondaire, pour la gravure de l'étape i), dans ladite couche de protection.
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Par exemple, l'étape g) peut comprendre les sous-étapes suivantes :
- g1) on forme dans la couche de protection au moins une ouverture dont au moins un bord délimite la zone secondaire,
- g2) optionnellement, on grave l'oxyde sous-jacent à travers ladite ouverture. Ce cas est particulièrement adapté lorsque la couche de protection est une couche de résine et en particulier une couche de résine photosensible.
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Selon un deuxième exemple, dans un cas où le procédé a inclus une étape c1) de réalisation d'un sous-masque dans une couche d'oxyde initial, et si de plus la couche de protection est une couche de protection d'oxyde, alors le sous-masque d'oxyde peut être récupéré en éliminant la partie de la couche de protection située sur le premier côté du substrat (i.e. s'étendant orthogonalement à la direction transversale) en la conservant néanmoins sur les bords de gravure primaire. Pour permettre l'élimination de la couche de protection tout en conservant le sous-masque, il convient toutefois que l'épaisseur de la couche de protection soit bien inférieure à celle du sous-masque. Dans ce but, la couche de protection en oxyde a avantageusement une épaisseur inférieure à 300 nm, de préférence inférieure à 200 nm, encore préférentiellement inférieure à 150 nm.
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Comme alternative, notamment en l'absence de sous-masque et dans un cas où la couche de protection ne recouvre pas tout le premier côté du substrat et en particulier ne recouvre que l'au moins un bord du premier niveau gravé lors de l'étape d), le procédé peut comprendre, en lieu et place de l'étape g), une étape h) de réalisation d'un masque pour la gravure de l'étape i) en supplément de la couche de protection déposée sur l'au moins un bord du premier niveau. Dans ce cas, l'étape h) peut comprendre les sous-étapes suivantes, dans cet ordre :
- h1) on dépose une couche de résine photosensible sur le premier côté du substrat,
- h2) par photolithographie, on forme dans ladite couche de résine au moins une ouverture dont au moins un bord délimite la zone secondaire,
- h3) optionnellement, on grave l'oxyde sous-jacent à travers ladite ouverture.
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Selon un exemple, le procédé comprend en outre, après l'étape i), une étape j) de retrait de la couche de protection et/ou d'une couche de résine sur le premier côté du substrat.
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Quel que soit le type de substrat, le procédé peut comprendre, après les étapes a), d) et i), le cas échéant après l'étape j), une étape I) de libération du composant fabriqué. Dans le cas d'un substrat SOI, on élimine la couche intermédiaire du substrat au moins en regard dudit composant. L'étape de libération est par exemple réalisée par gravure en phase vapeur, notamment par gravure à l'acide fluorhydrique en phase vapeur. Dans le cas d'un substrat massif, la couche d'arrêt ayant servi pour la gravure du composant est éliminée au moins en regard de ce dernier. L'étape I) a pour résultat de libérer soit un composant individuel lorsque celui-ci a été gravé sans attache, soit une plaquette comprenant au moins une partie de la couche utile portant ledit composant horloger lorsque celui-ci a été gravé avec attache.
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Selon un exemple, à l'issue de l'étape I), on réalise au moins une fois une étape m) comprenant une oxydation et une désoxydation du composant.
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On peut aussi réaliser plusieurs itérations de l'étape m)
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Selon un exemple, le procédé comprend en outre, à l'issue de l'étape l), et le cas échéant de l'étape m), une étape n) d'oxydation finale du composant.
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Lorsque c'est une plaquette qui a été libérée à l'étape I), le procédé peut en outre comprendre à l'issue de l'étape I) ou le cas échéant de l'étape m) ou n), une étape o) consistant à détacher l'au moins un composant horloger de la plaquette.
Brève description des dessins
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Les particularités et les avantages de la présente invention apparaîtront plus en détails dans le cadre de la description qui suit avec plusieurs exemples de réalisation donnés à titre illustratif et non limitatif en référence aux dessins annexés qui représentent :
- Les figures 1A et 1B illustrent les différentes étapes d'un premier exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention,
- La figure 2 illustre une variante du procédé des figures 1A et 1B,
- La figure 3 illustre les différentes étapes d'un deuxième exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention,
- La figure 4 illustre les différentes étapes d'un troisième exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention,
- La figure 5 illustre une ancre à deux niveaux pouvant être fabriquée grâce au procédé selon l'invention.
Description détaillée
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Le procédé selon l'invention, décrit plus loin en lien avec les figures 1 à 5, permet la fabrication d'un composant ou d'une pluralité de composants 1 en silicium à au moins deux niveaux dans un substrat 100 comprenant une couche utile 10 de silicium.
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Par souci de concision et de clarté, la présente description se focalisera sur la fabrication d'un seul composant. Néanmoins, et même s'il est théoriquement possible de fabriquer un unique composant à la fois, on souhaitera généralement fabriquer simultanément une pluralité de composants horlogers sur un même substrat. Ces composants peuvent être de même type ou de types différents, de même forme ou de formes différentes.
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La figure 5 représente à titre d'exemple une ancre 1 à deux niveaux pouvant être fabriquée à l'aide de ce procédé. Cet exemple n'est toutefois pas limitatif et le procédé pourra s'appliquer de manière équivalente ou similaire à tout autre type de composants horlogers, par exemple des roues, des balanciers, des plateaux, des aiguilles, des spiraux ou des éléments à lame(s) flexible(s).
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Une ancre 1 telle qu'illustrée sur la figure 5 est destinée à équiper un échappement d'un mouvement d'horlogerie (non représenté). L'ancre 1 est un élément monolithique en silicium. Elle présente une face supérieure 1a et une face inférieure 1b parallèles, avec la distance entre ces deux faces correspondant à l'épaisseur totale e de l'ancre, mesurée dans une direction transversale Z'. Cette épaisseur totale e correspond à l'épaisseur de la couche utile 10 dont est issue l'ancre 1.
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L'ancre 1 présente ici une forme globale de T avec une tige centrale 2 et, à une extrémité de cette tige 2, une tête 3 munie d'un trou traversant 4 destiné à accueillir un axe de pivotement (non représenté). L'ancre 1 comporte également deux palettes 5a, 5b respectivement formées à une extrémité de la tête 3 et, à l'extrémité de la tige 2 opposée à la tête 3, une fourchette 6 destinée à coopérer avec un organe réglant (non représenté) du mouvement, par exemple un balancier-spiral. La fourchette 6 comporte deux cornes 7a, 7b délimitant entre elles un dard 8 d'épaisseur réduite, lui-même délimité dans la direction transversale par une surface intermédiaire 9 située entre les deux faces principales 1a, 1b.
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La surface intermédiaire 9 du dard forme une surface de jonction entre deux niveaux I, II de l'ancre, superposés selon la direction transversale Z'.
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Le premier niveau I a une hauteur H1. Le deuxième niveau II a une hauteur H2.
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Le substrat 100 dans lequel le composant est formé est globalement mince et plat, et délimité, dans la direction de son épaisseur ou direction transversale Z, entre un premier côté 101 et un deuxième côté 102. Comme il ressortira de la suite, la direction transversale Z' des composants 1 qui y seront formés sera parallèle à cette direction transversale Z.
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Le substrat 100 est typiquement un substrat de type SOI (pour l'anglais « Silicium On Insulation ») qui comporte, outre sa couche utile 10, une deuxième couche ou couche de rigidification 20 et une couche intermédiaire d'oxyde 30 interposée entre la couche utile 10 et la couche de rigidification 20 dans la direction transversale Z. L'utilisation d'un tel substrat 100 connu sous le nom de substrat SOI (pour l'anglais « Silicium On Insulation ») est avantageuse pour plusieurs raisons : la couche d'arrêt de gravure 30 est intégrée au substrat de sorte qu'une étape supplémentaire de préparation d'une couche d'arrêt dédiée peut être omise. Aussi, la couche de rigidification 20 permet d'éviter les déformations du substrat 100 qui pourraient impacter défavorablement la forme et la résistance des composants horlogers 1 formés.
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L'utilisation d'un substrat SOI n'est toutefois pas limitative et le substrat pourrait aussi être un substrat massif sous forme de plaquette monolithique en silicium.
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Le procédé selon l'invention comprend au moins une gravure primaire et une gravure secondaire de la couche utile 10 du substrat 100, réalisées l'une à la suite de l'autre, depuis le premier côté 101 du substrat, sur des zones respectivement primaire et secondaire, et sur des épaisseurs différentes de ladite couche.
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Typiquement, l'une de ces gravures est réalisée sur toute l'épaisseur de la couche 10, autrement dit jusqu'à la couche intermédiaire 30, l'autre est réalisée sur une épaisseur intermédiaire inférieure à l'épaisseur totale de la couche utile 10, de sorte à s'arrêter à distance de la couche intermédiaire 30.
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Dans les exemples de mise en oeuvre décrits ci-après, plus spécifiquement, la gravure réalisée en premier lieu - dite gravure primaire - est celle s'étendant sur toute l'épaisseur de la couche utile 10 tandis que la gravure secondaire s'étend seulement sur une épaisseur intermédiaire. Cela n'est toutefois pas limitatif.
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A titre d'illustration, on considérera dans la suite le plan de coupe V de la figure 5. Pour former cette partie de l'ancre 1, une zone secondaire B, destinée à former le dard 8, sera gravée sur une épaisseur intermédiaire correspondant à la hauteur H2 du deuxième niveau II. Une première zone primaire A1 destinée à former le trou traversant 4 et une seconde zone primaire A2, attenante à la zone secondaire B et destinée à former le contour externe du dard 8, seront gravées sur toute l'épaisseur de la couche utile 10.
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Les figures 1A et 1B illustrent schématiquement, en lien avec ce plan de coupe V, différentes étapes du procédé selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention.
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Dans une étape a) du procédé, on fournit un substrat de type SOI (pour l'anglais « Silicium On Insulation »), du type déjà défini précédemment.
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L'épaisseur initiale e1 de la couche utile 10 du substrat 100 conditionne l'épaisseur totale e du composant final 1. L'épaisseur e1 est par exemple comprise entre 50 et 500µm. Mais e1 n'est pas nécessairement égale à e. Si par exemple le substrat subit une opération d'oxydation thermique, du dioxyde de silicium est formé à sa surface au détriment du silicium, faisant reculer l'interface de silicium et donc diminuer l'épaisseur de la couche utile 10. Ainsi, l'épaisseur totale e de la couche au moment de la gravure primaire peut être différente de son épaisseur initiale e1.
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La couche de rigidification 20 est généralement (mais non nécessairement) plus épaisse que la couche utile 10.
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La couche intermédiaire 30 forme une couche de liaison entre la couche utile 10 et la couche de rigidification 20, et sert également de couche d'arrêt lors des opérations de gravure ionique réactive profonde (DRIE) qui seront décrites plus en détail dans la suite. Elle est typiquement en dioxyde de silicium (SiO2, aussi appelé communément oxyde de silicium).
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Dans une étape b), une couche d'oxyde 40 est réalisée sur le substrat, typiquement par oxydation thermique, généralement dans un four d'oxydation thermique chauffé à une température avoisinant 1000°C. L'épaisseur de la couche d'oxyde 40 formée autour du substrat est typiquement comprise entre 0.5 et 4 microns. Dans le même temps et comme expliqué précédemment, l'épaisseur de silicium de la couche utile est réduite à une valeur e inférieure à e1. Dans la suite, l'oxyde formé lors de cette étape préalable est appelé oxyde initial.
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Dans l'exemple particulier considéré, et bien que cela reste optionnel, l'oxyde initial est exploité pour la préparation, sur le premier côté 101 du substrat 100, d'un sous-masque d'oxyde 44 destiné plus tard à la gravure des zones primaire et secondaire.
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Selon un exemple, dans une étape c1.1), on recouvre la couche d'oxyde 40 avec une couche de résine photosensible 50. Dans une étape c1.2), on forme dans la couche de résine 50, par photolithographie à l'aide d'un masque M1, une ouverture 52 qui délimite ou recouvre la zone secondaire B. Dans une étape c1.3) on grave la couche d'oxyde 40 à travers ladite ouverture 52, pour former une ouverture correspondante 42. Puis on retire la couche de résine (c1.4).
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Une ouverture 42 du sous-masque 44 peut aussi, en complément, recouvrir ou délimiter en partie une zone primaire (A2, dans l'exemple).
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Dans une étape c2), on prépare ensuite un masque de gravure 64 pour la gravure primaire. Pour cela, dans une étape c2.1) on recouvre le premier côté 101 du substrat 100 avec une couche de résine photosensible 60. Puis par photolithographie à l'aide d'un masque M2, on forme dans cette couche de résine 60 des ouvertures 62 délimitant les zones primaires A1, A2 (c2.2).
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On grave ensuite la couche d'oxyde 40 sous-jacente à travers les ouvertures 62 (c2.3), hormis au droit des éventuelles ouvertures 42 du sous-masque 44.
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En présence d'un sous-masque 44, il peut parfois être délicat d'aligner les ouvertures 42 du sous-masque 44 avec celles 62 de la résine 60. Il peut donc être avantageux de réaliser à l'étape c2.2), une ou des ouverture(s) 62 dont au moins un bord est légèrement décalé extérieurement par rapport au bord de l'ouverture 42 d'oxyde sous-jacente comme illustré dans la variante de la figure 2.
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L'étape d) de gravure primaire peut finalement être réalisée à travers les ouvertures 62 du masque de gravure primaire 64 ainsi réalisé dans la résine 60, de sorte à former au moins les bords du premier niveau I du composant 1 et éventuellement certains bords du deuxième niveau II, lorsque ceux-ci sont alignés avec les bords du premier niveau. La couche utile 10 du substrat 100 est gravée sur toute son épaisseur e.
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La gravure primaire est réalisée par gravure ionique réactive profonde (aussi appelée DRIE pour Deep Reactive Ion Etching).
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Dans une étape e) suivant la gravure, la résine photosensible ayant servi pour le masque primaire de gravure est retirée sur le premier côté 101 du substrat 100, par exemple par bombardement ionique multidirectionnel au plasma oxygène ou par voie chimique, typiquement par pulvérisation ou dans un bain.
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Dans une étape f), on traite avantageusement les bords 12 gravés lors de l'étape d) pour les protéger contre la seconde étape de gravure (gravure secondaire) à venir.
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Dans le mode de mise en oeuvre illustré, ce traitement consiste à déposer ou créer une couche d'oxyde 70 sur le premier côté 101 du substrat 100, de préférence en oxydant thermiquement le substrat. Lors de l'oxydation, c'est toute la surface du substrat qui est recouverte d'oxyde, y compris les bords de gravure primaire 12 et le premier côté 101 du substrat 100. La couche d'oxyde de protection 70 est une couche fine, dont l'épaisseur est de préférence inférieure à 300 nm, encore préférentiellement inférieure à 200 nm, encore plus préférentiellement inférieure à 150 nm.
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Dans une étape g), tout le premier côté 101 du substrat 100 est gravé par gravure DRIE ou RIE. La gravure étant unidirectionnelle, elle n'attaque pas la couche d'oxyde protégeant les bords de gravure primaire mais uniquement celle s'étendant orthogonalement à la trajectoire des ions. Sur le premier côté 101 du substrat 100, une épaisseur d'oxyde au moins égale à l'épaisseur de la couche de protection 70 mais strictement inférieure à la somme de l'épaisseur de l'oxyde initial 40 et de la couche de protection 70 est retirée, préservant sur ce premier côté 101 un masque 44 pour la gravure secondaire.
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Dans une nouvelle étape i), la couche utile 10 est ensuite gravée sur une épaisseur intermédiaire e', strictement inférieure à l'épaisseur totale de la couche utile 10, pour former le ou les bords du deuxième niveau II du composant 1. La gravure est toujours de type DRIE.
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En pratique, soit l'avancement de la gravure est contrôlé en temps réel et la gravure stoppée dès que la zone secondaire est gravée sur l'épaisseur intermédiaire prédéterminée e' (correspondant à la conservation d'une épaisseur de silicium sous-jacente souhaitée - ici H1), soit on détermine au préalable - empiriquement ou par calcul - une durée t pour laquelle l'épaisseur intermédiaire doit être gravée, et on stoppe la gravure après cette durée t. On peut aussi combiner ces deux méthodes de contrôle.
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Un mur de silicium et d'oxyde 72 peut éventuellement persister à la jonction entres les zones primaire A2 et secondaire B, comme illustré en figure 1 B(i).
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Dans une nouvelle étape I) le substrat 100 est désoxydé à l'acide, notamment à l'acide fluorhydrique, en phase vapeur, de sorte à éliminer la couche intermédiaire 30 au moins en regard du composant horloger 1.
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Dans le cas de composants gravés avec attache, la désoxydation peut entraîner la libération d'une plaquette 200, comprenant tout ou partie de la couche utile 10 et portant les composants 1.
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Dans le cas de composants 1 gravés sans attache, la désoxydation entraîne la libération des composants individuels.
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Le procédé peut ensuite comprendre au moins une séquence m) d'oxydation thermique puis désoxydation de la plaquette 200 ou du ou des composants individuels 1. Cette séquence, optionnelle, permet notamment de supprimer les éventuels murs de silicium et d'oxyde 72 restant sur les composants 1.
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Le procédé peut encore optionnellement comprendre, à l'issue de l'étape l), et le cas échéant de l'étape m), une étape n) d'oxydation finale du ou des composants 1 (le cas échéant sur leur plaquette 200).
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Et finalement, le procédé peut comprendre une étape o) dans laquelle les composants 1 sont détachés de leur plaquette 200, le cas échéant.
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La figure 3 illustre différentes étapes du procédé selon un deuxième mode de mise en oeuvre.
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Certaines étapes, notamment les étapes a (figure 3a), b (figure 3b), c2.1-c2.2-c2.3 (figure 3c), d (figure 3d), e (figure 3e), i (figure 3i) et suivantes, sont identiques ou similaires à celles déjà décrites précédemment et ne seront pas détaillées une nouvelle fois.
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On notera que dans cet exemple la couche d'oxyde 40 issue de l'étape b) n'est pas pré-gravée dans le but de réaliser un sous-masque 44 de gravure, comme décrit précédemment en lien avec les étapes c1.1), c1.2), c1.3), c1.4. Cela constitue néanmoins une variante possible.
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Comme dans le premier mode de mise en oeuvre décrit en référence à la figure 1, les bords 12 de la gravure primaire sont protégés au moment de la gravure secondaire.
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Il n'y a pas ici de couche de protection en oxyde, comme dans le premier mode, mais une couche de protection 80 en polymère, notamment du parylène ou une résine telle que de la résine photosensible, par exemple du Su-8.
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L'application de la couche de protection 80 peut se faire, selon le matériau utilisé, par pulvérisation, impression, transfert de motif, dépôt en phase vapeur (PVD), ou toute autre technique adaptée.
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Dans l'exemple illustré, la couche de protection 80 est une résine photosensible, qui remplit entièrement les cavités 11 de gravure primaire et recouvre également tout le premier côté 101 du substrat 100. Aussi, en choisissant d'emblée une résine photosensible comme matériau de protection, et en recouvrant le premier côté 101 avec cette résine, on peut directement réaliser le masque de gravure secondaire dans cette résine 80: par photolithographie à l'aide d'un masque M3, on forme dans la couche de protection 80 au moins une ouverture 82 dont au moins un bord délimite la zone secondaire (étape g1). Puis si comme dans l'exemple illustré aucun sous-masque n'a été prévu préalablement, on grave l'oxyde sous-jacent à travers ladite ouverture (étape g2).
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Comme alternative, notamment dans un cas où la couche de protection 80 ne recouvrirait pas le premier côté 101 du substrat 100, le procédé pourrait comprendre, en lieu et place de l'étape g), une étape h) de réalisation d'un masque pour la gravure de l'étape i) en supplément de la couche de protection 80 déposée sur l'au moins un bord 12 de gravure primaire. Dans ce cas, l'étape h) peut comprendre les sous-étapes suivantes, dans cet ordre :
- h1) on dépose une couche de résine photosensible sur le premier côté du substrat,
- h2) par photolithographie, on forme dans ladite couche de résine au moins une ouverture dont au moins un bord délimite la zone secondaire,
- h3) optionnellement, on grave l'oxyde sous-jacent à travers ladite ouverture.
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Lors de l'étape i) de gravure secondaire, la couche utile 10 est gravée sur l'épaisseur intermédiaire e' tandis que les bords de gravure primaire 12 restent protégés par la couche de protection 80.
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La couche de protection 80 peut être éliminée dans une étape subséquente j).
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La figure 4 illustre schématiquement un troisième mode de mise en oeuvre de l'invention.
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Là encore certaines étapes, notamment les étapes a, b, c1, c2, d, e et i et suivantes, sont identiques ou similaires à celles déjà décrites précédemment en lien avec le premier mode et ne seront pas détaillées une nouvelle fois.
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On notera cependant que dans cet exemple la couche d'oxyde 40 issue de l'étape b) est pré-gravée de sorte à former un sous-masque 44 de gravure, comme décrit précédemment en lien avec les étapes c1.1) à c1.4) du premier mode de mise en oeuvre.
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Ce troisième mode de mise en oeuvre se différencie cependant des deux précédents en ce qu'aucune couche de protection n'est activement formée sur les bords de la gravure primaire 12 après cette première étape de gravure. La protection des bords 12 de gravure est ici inhérente à la gravure primaire, qui est une gravure ionique réactive profonde (DRIE).
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Comme il est bien connu, le procédé de gravure DRIE alterne des phases de gravure du silicium à l'aide d'un gaz fluoré (SF6) et des phases de passivation des bords de gravure à l'aide d'un gaz à base de fluorocarbone (C4F8, C2F6, CF4 ou CHF3-Ar). Lors de chaque étape de passivation, une fine couche de type fluor, appelée couche de passivation, 90 est déposée sur les bords 12 et le fond 13 de la cavité de gravure 11. Lors de l'opération de gravure suivante, la couche de passivation 90 présente sur le fond 13 de la cavité de gravure 11 est détruite par bombardement ionique, mais elle est conservée sur les bords 12. En répétant des cycles de gravure et de passivation, on arrive finalement à une gravure profonde à bords verticaux, avec les bords 12 protégés par l'accumulation des couches de passivation successives formées au fur et à mesure des cycles.
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Dans ce troisième mode de mise en oeuvre, la couche de passivation 90 formée sur les bords 12 de gravure primaire est préservée, pour être toujours en place lors de la gravure secondaire. Cette préservation nécessite des mesures particulières notamment lors du retrait du masque de la gravure primaire 64 (étape e). En effet, une résine photosensible du type utilisé classiquement pour le masque de gravure primaire 64 est généralement retirée soit par voie chimique et notamment à l'aide d'un spray liquide, soit par plasma multidirectionnel. Ces méthodes éliminent dans le même temps la couche de passivation. Pour préserver la couche de passivation 90, la couche de résine photosensible 60 formant le masque de gravure primaire 64 est ici retirée par plasma directionnel, autrement dit par un bombardement ionique 92 orienté en direction du premier côté 101 du substrat 100 et dans la direction transversale Z dudit substrat. Pour préserver l'oxyde et le silicium, on utilisera avantageusement un plasma directionnel à l'oxygène.
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Cette étape de retrait peut se faire dans la graveuse DRIE servant à la gravure primaire et secondaire, puisque ce type de machine permet l'orientation ionique, à l'inverse des machines à plasma classiques dans lesquelles le bombardement est volontairement en toutes directions pour attaquer l'ensemble des faces du substrat traité.
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Une fois le masque de gravure primaire 64 éliminé, la gravure secondaire de l'étape i) est réalisée à travers le sous-masque de gravure 44, les bords 12 de la gravure primaire étant protégés par la couche de passivation 90.
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Le reste du procédé peut ensuite être poursuivi de façon similaire aux deux modes de réalisation décrits précédemment.