FR3039317A1 - Procede de gravure de materiaux durs - Google Patents
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Abstract
Procédé de gravure d'au moins une couche de matériau dur (100), comportant au moins la mise en œuvre des étapes suivantes : - collage direct, sur la couche de matériau, d'un premier masque dur (105) métallique et/ou en semi-conducteur, le premier masque dur étant traversé par au moins une première ouverture (114) débouchant sur la couche de matériau et correspondant à un motif destiné à être gravé dans la couche de matériau ; - gravure d'au moins une portion de la couche de matériau au niveau de la première ouverture par la mise en œuvre d'au moins une gravure ionique, et/ou par la mise en œuvre d'au moins une implantation ionique dans la portion de la couche de matériau et d'au moins une gravure chimique de la portion de la couche de matériau ayant subie l'implantation ionique.
Description
PROCEDE DE GRAVURE DE MATERIAUX DURS DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR L'invention porte sur un procédé de gravure d'une couche de matériau dur, utilisé par exemple pour la réalisation de composants de précision, notamment de pièces de micromécanique pour l'industrie horlogère (balanciers, ressorts spiraux, etc.), ainsi que pour la réalisation de composants microélectroniques tels que des composants RF (radiofréquence) : filtres, résonateurs, etc.
Les composants de précision pour l'industrie horlogère sont généralement réalisés dans des alliages métalliques spéciaux amagnétiques à faible coefficient de dilatation ou compensés en variation thermique par une conception particulière.
Ces composants peuvent également être réalisés en silicium micro-usinés par gravure ionique réactive profonde, ou DRIE (« Deep Reactive Ion Etching » en anglais). Une telle gravure permet d'usiner le silicium en trois dimensions avec une précision de l'ordre du millième de millimètre. Les pièces produites par ce biais présentent donc toutes exactement les mêmes qualités, qu'il s'agisse de la forme ou du poids. Elles possèdent par ailleurs des surfaces parfaitement lisses. On obtient ainsi des composants de haute précision rigoureusement identiques, permettant par exemple d'augmenter les performances du mouvement horloger réalisé avec ces composants. Le silicium est un matériau intéressant pour la réalisation de composant de précision d'horlogerie car il présente en outre un faible coefficient de dilatation thermique (de l'ordre de 2,6.10-6 K-1), comme l'Invar®, très utilisé en horlogerie.
Les caractéristiques d'un ressort spiral, principal composant de l'organe réglant d'une montre, sont les suivantes : - épaisseur : de 100 μιτι à 150 μιτι environ ; - largeur de bras : 40 +/-10 μιτι ; - espacement entre spires : 200 +/- 50 μιτι ; - nombre de spires : ~13+/-2 ; - longueur totale : environ 100 mm ; - diamètre : environ 10 mm ; - plage de température de fonctionnement : 8 à 37°C ; - couple : environ 2.10"4 N.mm ; - module d'Young du matériau : 100 à 150 GPa ; - précision :-4 à+6 secondes / 24h ; - matériau amagnétique ou très faiblement magnétique.
Afin d'améliorer la qualité de ce composant, il serait avantageux que celui-ci ait une plage de température de fonctionnement comprise entre environ 10°C et 50°C, et surtout que le module d'Young du matériau utilisé soit supérieure à environ 200 GPa, par exemple compris entre 200 et 250 GPa. Or, le silicium a un module d'Young assez faible, de l'ordre de 170 GPa, tout comme l'Invar® (de l'ordre de 140-150 GPa).
La gravure des matériaux présentant un module d'Young élevé, supérieur à environ 170 GPa, est toutefois difficile à réaliser. En effet, la mise en oeuvre d'une gravure ionique réactive, ou RIE (« Reactive Ion Etching » en anglais) n'est pas compatible avec tous ces matériaux durs car une telle gravure fait appel à des réactifs chimiques qui doivent former des composés volatiles avec tous les éléments de ces matériaux. Par exemple, le YAG (Yttrium Aluminium Garnet de formule Y3AI5O12), dont le module d'Young est égal à environ 310 GPa, ne peut pas être gravé par une gravure RIE de manière industrielle car il n'existe pas de réactif chimique disponible industriellement qui puisse former des composés volatiles avec tous les éléments chimiques du YAG.
Une gravure purement ionique où l'abrasion est directement obtenue par bombardement ionique du matériau n'est également pas adaptée pour graver ces matériaux durs car cette gravure n'est pas sélective et grave le matériau à peu près à la même vitesse que les résines utilisées pour le masquage du matériau, voire moins rapidement. Or, pour réaliser des pièces de micromécanique, une gravure profonde est généralement réalisée, par exemple sur une épaisseur supérieure ou égale à environ 50 μιτι. L'épaisseur de résine nécessaire pour réaliser une telle gravure est impossible à réaliser (une résine peut être déposée sur une épaisseur de quelques dizaines microns au maximum). De plus, la résine sera rapidement altérée par réchauffement engendré par le bombardement ionique.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Un but de la présente invention est de proposer un procédé de gravure d'une couche de matériau dur, c'est-à-dire dont le module d'Young est supérieur ou égal à environ 170 GPa ou dont la dureté Vickers est supérieure ou égale à environ 1000 kg/mm2, ne nécessitant pas de réactifs chimiques pour former des composés volatiles avec les éléments du matériau gravé, et qui puisse servir à la mise en oeuvre d'une gravure qui soit profonde (gravure dans une épaisseur de matériau au moins égale à environ 50 pm) ou non.
Pour cela, la présente invention propose un procédé de gravure d'au moins une couche de matériau dont le module d'Young est supérieur ou égal à environ 170 GPa ou dont la dureté Vickers est supérieure ou égale à environ 1000 kg/mm2, comportant au moins la mise en oeuvre des étapes suivantes : - collage direct, sur la couche de matériau, d'un premier masque dur métallique et/ou en semi-conducteur, le premier masque dur étant traversé par au moins une première ouverture débouchant sur la couche de matériau et correspondant à un motif destiné à être gravé dans la couche de matériau ; - gravure d'au moins une portion de la couche de matériau au niveau de la première ouverture par la mise en oeuvre d'au moins une gravure ionique, et/ou par la mise en oeuvre d'au moins une implantation ionique dans la portion de la couche de matériau et d'au moins une gravure chimique de la portion de la couche de matériau ayant subie l'implantation ionique.
Ce procédé fait donc appel à un premier masque dur métallique et/ou en semi-conducteur qui, contrairement à un masque en résine, peut être réalisé avec une épaisseur importante, par exemple supérieure à environ 10 pm ou environ 50 pm voire supérieure à environ 100 pm ou 200 pm. En réalisant un tel premier masque dur, il est donc possible de graver la couche de matériau via la mise en œuvre d'une gravure ionique et/ou d'une implantation ionique couplée à une gravure chimique.
Ce procédé permet en outre de graver des matériaux durs ne nécessitant pas de réactifs chimiques pour former des composés volatiles avec ses éléments du fait que la gravure mise en œuvre n'est pas une gravure réactive telle qu'une gravure RIE ou DRIE.
Le collage direct, également appelé « collage moléculaire » ou « collage par adhésion moléculaire », ou encore appelé « wafer bonding » ou « direct bonding » en anglais, est une technique d'assemblage permettant de solidariser deux surfaces via une mise en contact direct de ces deux surfaces sans faire appel à un matériau de collage (colle, cire, etc.). Dans ce type de collage, l'adhérence est obtenue grâce au fait que les surfaces à coller sont suffisamment lisses (typiquement avec une rugosité de l'ordre de 0,5 nm), exemptes de particules ou de contaminations, et rapprochées suffisamment l'une de l'autre pour permettre d'initier un contact intime entre les surfaces. Dans ce cas, les forces attractives entre les deux surfaces sont assez élevées pour provoquer une adhérence moléculaire des deux surfaces l'une avec l'autre. Le collage moléculaire est induit par l'ensemble des forces attractives d'interaction électronique entre les atomes ou molécules des deux surfaces à coller (forces de Van der Waals). Dans le procédé selon l'invention, le collage direct réalisé entre la couche de matériau à graver et le premier masque dur permet de conférer un très bon maintien du premier masque dur sur la couche de matériau à graver notamment lors de la gravure de la couche de matériau à graver. Ce collage direct permet également d'assurer un bon transfert thermique entre le premier masque dur et la couche de matériau à graver pendant la gravure de la couche de matériau à graver.
Le matériau de ladite couche de matériau peut comporter un ou plusieurs des éléments suivants : grenat d'aluminate de terre rare, alexandrite, langasite, langatate, spinelle, saphir, fluorine, YLF, LNO, LTO. Le grenat d'aluminate de terre rare peut être avantageusement du YAG.
La gravure de la portion de la couche de matériau au niveau de la première ouverture par la mise en œuvre d'au moins une implantation ionique dans la portion de la couche de matériau et d'au moins une gravure chimique de la portion de la couche de matériau ayant subie l'implantation ionique peut être réalisée lorsque le matériau implanté est chimiquement stable avant l'implantation, c'est-à-dire correspond à un matériau qui ne se grave pas correctement avec les chimies usuelles de la microélectronique (HF, ammoniaque, H3PO4, H2O2, TMAH, eau régal, HNO3, KOH, acide acétique, ou un mélange de ces produits), c'est-à-dire avec une vitesse de gravure inférieure à environ 10 nm/mn voire inférieure à environ 1 nm/mn en présence de ces composés, et chimiquement réactif après cette implantation, c'est-à-dire qui se gravera correctement en présence de ces éléments avec une vitesse de gravure supérieure à environ 10 nm/mn voire supérieure à environ 30 nm/mn. L'épaisseur de la portion de la couche de matériau peut être supérieure ou égale à environ 50 pm.
Lorsque la portion de la couche de matériau est gravée par au moins une gravure ionique, l'épaisseur du premier masque dur peut être au moins égale au produit de l'épaisseur de la portion de la couche de matériau multipliée par le rapport de la vitesse de gravure du matériau du premier masque dur sur la vitesse de gravure du matériau de ladite couche de matériau lors de la gravure ionique. Ainsi, cette condition permet d'assurer la présence du premier masque dur sur la couche de matériau à graver tout au long de la gravure.
Le procédé peut comporter en outre la réalisation de la première ouverture du premier masque dur qui est mise en oeuvre avant ou après le collage direct du premier masque dur sur la couche de matériau.
Dans ce cas, la réalisation de la première ouverture du premier masque dur peut comporter au moins la mise en oeuvre des étapes suivantes : - réalisation d'un deuxième masque dur diélectrique sur une couche métallique et/ou en semi-conducteur destinée à former le premier masque dur, le deuxième masque dur étant traversé par au moins une deuxième ouverture débouchant sur la couche métallique et/ou en semi-conducteur et correspondant au motif de la première ouverture ; - gravure d'une partie de la couche métallique et/ou en semi-conducteur au niveau de la deuxième ouverture telle que la partie gravée de la couche métallique et/ou en semi-conducteur forme la première ouverture.
La réalisation du deuxième masque dur peut comporter au moins la mise en œuvre des étapes suivantes : - dépôt d'une couche diélectrique sur la couche métallique et/ou en semi-conducteur ; - gravure de la couche diélectrique selon le motif de la deuxième ouverture.
La gravure de la portion de la couche de matériau au niveau de la première ouverture peut être réalisée en mettant en œuvre alternativement des étapes de gravure ionique de parties de la portion de la couche de matériau et des étapes de nettoyage chimique retirant des résidus de gravure générés lors des étapes de gravure ionique, et/ou en mettant en œuvre alternativement des étapes d'implantation ionique de parties de la portion de la couche de matériau et des étapes de gravure chimique des parties de la portion de la couche de matériau ayant subies les étapes d'implantation ionique.
Le procédé peut comporter en outre, après la gravure de la portion de la couche de matériau, la mise en œuvre d'une étape de retrait mécanique et/ou chimique du premier masque dur.
Le procédé peut comporter en outre, avant le collage direct du premier masque dur sur la couche de matériau, la mise en œuvre d'un collage direct de la couche de matériau sur un support.
Dans ce cas, les matériaux du premier masque dur et du support peuvent être similaires, et, lorsque la gravure de la portion de la couche de matériau est réalisée à travers toute l'épaisseur de la couche de matériau, le retrait du premier masque dur peut être obtenu par la mise en œuvre d'une gravure chimique gravant également le support et libérant la couche de matériau vis-à-vis du support. L'invention porte également sur un procédé de réalisation d'au moins une pièce de micromécanique, comportant la mise en œuvre d'un procédé de gravure tel que décrit ci-dessus et tel qu'au moins une portion restante de la couche de matériau obtenue après la mise en œuvre du procédé de gravure correspond à la pièce de micromécanique.
La pièce de micromécanique peut correspondre avantageusement à un ressort spiral d'horlogerie. L'invention porte également sur un procédé de réalisation d'un filtre radiofréquence, comportant la mise en oeuvre d'un procédé de gravure tel que décrit ci-dessus et tel que le matériau de ladite couche de matériau soit un matériau piézoélectrique.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 à 7 représentent les étapes d'un procédé de gravure d'une couche de matériau, objet de la présente invention, selon un mode de réalisation particulier; - la figure 8 représente un ressort spiral réalisé en mettant en oeuvre un procédé de gravure, objet de la présente invention.
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On se réfère aux figures 1 à 7 qui représentent les étapes d'un procédé de gravure d'une couche de matériau 100 selon un mode de réalisation particulier.
Le matériau de la couche 100 est un matériau dont le module d'Young est supérieur ou égal à environ 170 GPa, ou dont la dureté Vickers est supérieure ou égale à environ 1000 kg/mm2. Dans l'exemple décrit ici, le matériau de la couche 100 est du YAG, c'est-à-dire du Y3AI5O12. Ce matériau pourrait également être composé d'un ou plusieurs des éléments suivants : grenat d'aluminate de terre rare (TR3AI5O12, avec TR correspondant à l'élément du type terre rare), alexandrite (BeAhCU), langasite (LasGaSiOw), langatate (La3Ga5,5Ïao,50i4), spinelle (MgAhCU), saphir, matériau fluoré tel que la fluorine (CaF2) ou le YLF (ÜYF4), matériau piézoélectrique tel que du LNO (LiNbCh) ou du LTO (LiTaCh).
La couche 100 a une épaisseur (dimension selon l'axe Z représenté sur la figure 1) égale ou supérieure à environ 50 pm, et ici par exemple comprise entre environ 100 pm et 150 pm.
Les dimensions latérales de la couche 100 (dimensions dans le plan (X,Y)) peuvent ne pas correspondre aux dimensions standards des substrats, ou wafers, du domaine de la microélectronique. Pour réaliser la gravure de la couche 100 avec des équipements standards de la microélectronique, la couche 100 est collée sur un support 102 correspondant ici à un substrat de dimensions latérales standards, par exemple de diamètre égal à 300 mm (figure 1). Ce substrat est ici composé de semi-conducteur, par exemple de silicium. Le collage de la couche 100 sur le support 102 permet également de renforcer le maintien mécanique de la couche 100 et faciliter sa manipulation du fait que le support 102 peut servir de poignée mécanique lors des manipulations.
Le collage de la couche 100 sur le support 102 est avantageusement un collage direct, ce qui permet de conférer un très bon maintien de la couche 100 sur le support 102 lors de la mise en œuvre des étapes suivantes du procédé de gravure, et permet également d'assurer un bon transfert thermique entre la couche 100 et le support 102 notamment pendant la gravure ultérieure de la couche 100.
Une autre couche 104 métallique et/ou en semi-conducteur est ensuite collée sur la couche 100 (figure 2). La couche 104 va être utilisée pour réaliser un premier masque dur 105 qui servira à la gravure de la couche 100. Dans l'exemple de réalisation décrit ici, la couche 104 correspond à un substrat de silicium. Lorsque la couche 100 est destinée à être gravée par gravure ionique, l'épaisseur de la couche 104 est choisie en fonction de l'épaisseur de la couche 100 qui est destinée à être gravée, ainsi que de la sélectivité de gravure par le faisceau ionique du matériau de la couche 100 vis-à-vis de celui de la couche 104. L'épaisseur de la couche 104 est choisie supérieure ou égale à l'épaisseur de la couche 100 multipliée par le rapport entre la vitesse de gravure du matériau de la couche 104 sur la vitesse de gravure du matériau de la couche 100 lors de la gravure ionique. Par exemple, dans le cas d'une couche 100 de YAG d'épaisseur égale à environ 100 pm, et d'une couche 104 en silicium, du fait que la vitesse de gravure du silicium est environ deux fois supérieure à celle du YAG lors d'une gravure ionique, l'épaisseur de la couche 104 est choisie comme étant supérieure ou égale à environ deux fois l'épaisseur de la couche 100, c'est-à-dire supérieure ou égale à environ 200 pm.
La couche 104 est solidarisée à la couche 100 via la mise en oeuvre d'un collage direct entre ces deux couches, ce qui permet de conférer un très bon maintien de la couche 104 sur la couche 100 lors de la mise en oeuvre de étapes suivantes du procédé de gravure, et permet également d'assurer un bon transfert thermique entre les couches 104 et 100 pendant les étapes ultérieures du procédé, notamment lors de la gravure de la couche 100.
Un recuit peut ensuite être mis en oeuvre afin d'augmenter l'énergie de collage entre les couches 100 et 104. Ce recuit permet également d'augmenter l'énergie de collage entre la couche 100 et le support 102. Ce recuit peut être réalisé sous atmosphère de di-azote, par exemple à une température comprise entre environ 100°C et 300°C dépendante des matériaux en présence et plus particulièrement de leur différence de coefficient de dilatation thermique.
La couche 104 est ensuite gravée afin de former le premier masque dur 105. Cette gravure est destinée à former une ou plusieurs premières ouvertures dans la couche 104 dont le motif correspond à celui destiné à être gravé dans la couche 100. Pour cela, une couche diélectrique 106 destinée à former un deuxième masque dur 107 est déposée sur la couche 104 (figure 3). Dans l'exemple décrit ici, du fait que la couche 106 est déposée via un dépôt pleine plaque, des parties de cette couche 106 sont déposées également sur des parties de la couche 100 non recouvertes par la couche 104 ainsi que sur des parties du support 102 non recouvertes par la couche 100. Le matériau diélectrique de la couche 106 est par exemple du SïN ou du S1O2, et l'épaisseur de la couche 106 est par exemple comprise entre environ 3 pm et 5 pm.
Un masque de résine 108 est ensuite réalisé sur la structure réalisée, et recouvre les parties de la couche 106 qui ne sont pas destinées à être gravées. Le masque 108 comporte une ou plusieurs ouvertures 110 formées par photolithographie et gravure, et dont le motif correspond à celui de la ou des deuxièmes ouvertures 112 destinées à être formées à travers la couche 106 (elles-mêmes ayant un motif correspondant à celui de la ou des premières ouvertures du premier masque dur 105 destiné à être réalisé à partir de la couche 104). Une gravure de la couche 106, par exemple une gravure plasma, est ensuite mise en oeuvre, formant la ou les deuxièmes ouvertures 112 à travers la couche 106, et formant donc le deuxième masque dur 107 (figure 4).
Le masque de résine 108 est ensuite retiré, puis la couche 104 est gravée selon le motif défini par le deuxième masque dur 107, par exemple par une gravure plasma profonde, formant la ou les premières ouvertures 114 à travers la couche 104 (figure 5). Le premier masque dur 105 est ainsi obtenu.
Le premier masque dur 105 est ensuite utilisé pour graver la couche 100 selon le motif défini par la ou les premières ouvertures 114. La couche 100 peut être gravée en mettant en oeuvre une gravure ionique, transférant ainsi le motif de la ou des première ouvertures 114 dans la couche 100. Cette gravure ionique grave la couche 100 en formant une ou plusieurs ouvertures 116 qui ici traversent toute l'épaisseur de la couche 100. Cette gravure ionique grave également les autres matériaux en présence, c'est-à-dire le deuxième masque dur 107, le premier masque dur 105 ainsi que le support 102, réduisant ainsi l'épaisseur de ces éléments. Comme décrit précédemment, l'épaisseur du premier masque dur 105 est suffisamment importante pour qu'au moins une partie du premier masque dur 105 soit encore présente sur la couche 100 à la fin de cette gravure ionique. Sur la figure 6, on voit qu'une partie du premier masque dur 105 est toujours présente sur la couche 100 après la formation de la ou des premières ouvertures 116 à travers la couche 100. Le support 102 comporte également une épaisseur suffisante pour qu'il ne soit pas gravé sur toute son épaisseur lors de la mise en oeuvre de cette gravure ionique. Sur la figure 6, l'ouverture 116 formée à travers la couche 100 se prolonge également à travers une partie de l'épaisseur du support 102.
De manière avantageuse, la gravure de la couche 100 est réalisée en mettant en oeuvre alternativement plusieurs étapes de gravure ionique, gravant chacune une partie de l'épaisseur de la couche 100, et plusieurs étapes de nettoyage chimique retirant des résidus de gravure générés lors des étapes de gravure ionique. A chaque nouvelle étape de gravure, la ou les parties de la couche 100 qui sont gravées correspondent à celle(s) se trouvant à l'aplomb de celle(s) précédemment gravée(s).
La gravure de la couche 100 peut également être réalisée par la mise en œuvre d'une implantation ionique du matériau de la couche 100 à travers la ou les premières ouvertures 114 du premier masque dur 105, et d'une gravure chimique de la ou des portions de matériau ayant subies l'implantation ionique. Cette implantation ionique permet de rendre amorphe le matériau recevant le faisceau ionique (par exemple formé d'ions Ne+). La gravure chimique mise en œuvre correspond par exemple à une gravure humide utilisant une solution d'hUPCU concentrée et à haute température (par exemple supérieure à environ 80°C).
Etant donné l'épaisseur importante du matériau de la couche 100 qui est destinée à être gravée, par exemple supérieure à environ 50 pm, la gravure de la couche 100 est avantageusement réalisée en mettant en œuvre alternativement plusieurs étapes d'implantation ionique, réalisant chacune une implantation d'ions dans une partie de l'épaisseur de la couche 100, et plusieurs étapes de gravure chimique des parties de la portion de la couche de matériau implantées ioniquement. A chaque nouvelle étape d'implantation ionique, la ou les parties de la couche 100 qui sont implantées se trouvent à l'aplomb de celle(s) précédemment gravée(s).
Une fois la gravure de la couche 100 achevée, le premier masque dur 105 est retiré mécaniquement, par exemple en mettant en œuvre une étape de planarisation mécano-chimique (CMP), et/ou chimiquement par gravure. Lorsque les ouvertures 116 réalisées à travers la couche 100 traversent toute l'épaisseur de la couche 100 et que les matériaux du premier masque dur 105 et du support 102 sont similaires, comme dans l'exemple décrit ici où le premier masque dur 105 et le support 102 sont en silicium, le retrait du premier masque dur 105 est avantageusement réalisé par la mise en œuvre d'une gravure chimique, par exemple via une solution de TMAH pour la gravure du silicium, cette gravure libérant également la couche 100 vis-à-vis du support 102 qui est gravé au niveau de son interface avec la couche 100 (figure 7).
La ou les ouvertures 116 formées à travers la couche 100 définissent ainsi les contours des éléments réalisés via ce procédé de gravure, correspondant ici à des pièces micromécaniques 118.
Dans le mode de réalisation particulier décrit ci-dessus, la couche 104 est tout d'abord solidarisée sur la couche 100 puis le premier masque dur 105 est réalisé à partir de cette couche 104. En variante, il est possible que le premier masque dur 105 soit collé sur la couche 100 après avoir été réalisé, c'est-à-dire après que la ou les ouvertures 114 aient été réalisées dans la couche 104. Dans ce cas, des étapes analogues à celles précédemment décrites en liaison avec les figures 3 à 5 sont mises en oeuvre préalablement au collage du premier masque dur 105 sur la couche 100.
Dans le mode de réalisation particulier précédemment décrit, la couche 100 est gravée sur toute son épaisseur, la ou les ouvertures 116 traversant la couche 100 depuis sa face supérieure jusqu'à sa face inférieure. En variante, la couche 100 peut être gravée à travers une partie seulement de son épaisseur, les ouvertures 116 n'étant dans ce cas formées qu'à travers une partie de l'épaisseur de la couche 100.
Ce procédé de gravure peut être mis en œuvre pour réaliser tout type de gravure pour de nombreux domaines technologiques. Avantageusement, ce procédé de gravure est mis en œuvre pour réaliser des pièces de micromécanique 118 destinées à être utilisées dans le domaine de l'horlogerie. Ainsi, ce procédé est particulièrement intéressant pour réaliser, à partir d'une couche 100 de matériau dur, des ressorts spiraux de montres.
La figure 8 représente un tel ressort spiral 118. Ce ressort spiral 118 est formé d'une lame 120 réalisée en au moins un matériau dur correspondant à l'un ou plusieurs de ceux précédemment décrits pour la couche 100.
Des exemples de dimensions du ressort spiral 118 sont donnés ci-dessous : - épaisseur, ou hauteur, de la lame 120, et donc du ressort spiral 118, comprise entre environ 100 μιτι et 150 μιτι ; - largeur de la lame 120 comprise entre environ 30 μιτι et 50 μιτι ; - espacement entre deux spires voisines du ressort spiral 118 compris entre environ 150 μιτι et 250 μιτι ; - nombre de spires, ou tours, du ressort spiral 118 compris entre environ 11 et 15 ; - longueur totale de la lame 120 égale à environ 100 mm ; - diamètre du ressort spiral 118 égal à environ 10 mm.
En réalisant la lame 120 avec un ou plusieurs des matériaux durs cités ci-dessus, la plage de température de fonctionnement du ressort spiral 118 est comprise entre environ 10 et 50°C. Le couple du ressort spiral 118 pouvant être obtenu est égal à environ 2.10'4 N.mm. L'utilisation d'un tel ressort spiral 118 dans un mouvement d'horlogerie permet d'obtenir une précision comprise entre environ -4 et +6 secondes/24h.
Le ressort spiral 118 est destiné à faire partie d'un oscillateur mécanique comprenant le ressort spiral 118 et un balancier, formant un volant d'inertie, auquel le ressort spiral 118 est couplé mécaniquement par l'intermédiaire de l'une de ses extrémités. Une autre extrémité du ressort spiral 118 est fixée à la pièce dans laquelle pivote l'axe du balancier.
Ce procédé de gravure peut également être utilisé pour réaliser la gravure de matériaux piézoélectriques comme par exemple le LNO ou le LTO pour former par exemple des filtres à onde de volume, à onde de surface ou à onde de Lamb consistant en des motifs micrométriques d'épaisseur comprise entre environ 10 nm et 20 pm disposés entre deux électrodes métalliques. Ce type de gravure est avantageuse pour la définition de ces motifs ainsi que pour la réalisation de trous de libération pour réaliser une prise de contact sur l'électrode inférieure, c'est-à-dire l'électrode sur laquelle sont disposés les motifs.
Claims (14)
- REVENDICATIONS1. Procédé de gravure d'au moins une couche de matériau (100) dont le module d'Young est supérieur ou égal à environ 170 GPa ou dont la dureté Vickers est supérieure ou égale à environ 1000 kg/mm2, comportant au moins la mise en œuvre des étapes suivantes : - collage direct, sur la couche de matériau (100), d'un premier masque dur (105) métallique et/ou en semi-conducteur, le premier masque dur (105) étant traversé par au moins une première ouverture (114) débouchant sur la couche de matériau (100) et correspondant à un motif destiné à être gravé dans la couche de matériau (100) ; - gravure d'au moins une portion de la couche de matériau (100) au niveau de la première ouverture (114) par la mise en œuvre d'au moins une gravure ionique, et/ou par la mise en œuvre d'au moins une implantation ionique dans la portion de la couche de matériau (100) et d'au moins une gravure chimique de la portion de la couche de matériau (100) ayant subie l'implantation ionique.
- 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le matériau de ladite couche de matériau (100) comporte un ou plusieurs des éléments suivants : grenat d'aluminate de terre rare, alexandrite, langasite, langatate, spinelle, saphir, fluorine, YLF, LNO, LTO.
- 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'épaisseur de la portion de la couche de matériau (100) est supérieure ou égale à environ 50 μιτι.
- 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, lorsque la portion de la couche de matériau (100) est gravée par au moins une gravure ionique, l'épaisseur du premier masque dur (105) est au moins égale au produit de l'épaisseur de la portion de la couche de matériau (100) multipliée par le rapport de la vitesse de gravure du matériau du premier masque dur (105) sur la vitesse de gravure du matériau de ladite couche de matériau (100) lors de la gravure ionique.
- 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre la réalisation de la première ouverture (114) du premier masque dur (105) qui est mise en oeuvre avant ou après le collage direct du premier masque dur (105) sur la couche de matériau (100).
- 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la réalisation de la première ouverture (114) du premier masque dur (105) comporte au moins la mise en oeuvre des étapes suivantes : - réalisation d'un deuxième masque dur (107) diélectrique sur une couche métallique et/ou en semi-conducteur (104) destinée à former le premier masque dur (105), le deuxième masque dur (107) étant traversé par au moins une deuxième ouverture (112) débouchant sur la couche métallique et/ou en semi-conducteur (104) et correspondant au motif de la première ouverture (114) ; - gravure d'une partie de la couche métallique et/ou en semi-conducteur (104) au niveau de la deuxième ouverture (112) telle que la partie gravée de la couche métallique et/ou en semi-conducteur (104) forme la première ouverture (114).
- 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la réalisation du deuxième masque dur (107) comporte au moins la mise en oeuvre des étapes suivantes : - dépôt d'une couche diélectrique (106) sur la couche métallique et/ou en semi-conducteur (104) ; - gravure de la couche diélectrique (106) selon le motif de la deuxième ouverture (112).
- 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la gravure de la portion de la couche de matériau (100) au niveau de la première ouverture (114) est réalisée en mettant en oeuvre alternativement des étapes de gravure ionique de parties de la portion de la couche de matériau (100) et des étapes de nettoyage chimique retirant des résidus de gravure générés lors des étapes de gravure ionique, et/ou en mettant en oeuvre alternativement des étapes d'implantation ionique de parties de la portion de la couche de matériau (100) et des étapes de gravure chimique des parties de la portion de la couche de matériau (100) ayant subies les étapes d'implantation ionique.
- 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre, après la gravure de la portion de la couche de matériau (100), la mise en œuvre d'une étape de retrait mécanique et/ou chimique du premier masque dur (105).
- 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre, avant le collage direct du premier masque dur (105) sur la couche de matériau (100), la mise en œuvre d'un collage direct de la couche de matériau (100) sur un support (102).
- 11. Procédé selon les revendications 9 et 10, dans lequel les matériaux du premier masque dur (105) et du support (102) sont similaires, et dans lequel, lorsque la gravure de la portion de la couche de matériau (100) est réalisée à travers toute l'épaisseur de la couche de matériau (100), le retrait du premier masque dur (105) est obtenu par la mise en œuvre d'une gravure chimique gravant également le support (102) et libérant la couche de matériau (100) vis-à-vis du support (102).
- 12. Procédé de réalisation d'au moins une pièce de micromécanique (118), comportant la mise en œuvre d'un procédé de gravure selon l'une des revendications précédentes tel qu'au moins une portion restante de la couche de matériau (100) obtenue après la mise en œuvre du procédé de gravure correspond à la pièce de micromécanique (118).
- 13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel la pièce de micromécanique (118) correspond à un ressort spiral d'horlogerie.
- 14. Procédé de réalisation d'un filtre radiofréquence, comportant la mise en oeuvre d'un procédé de gravure selon l'une des revendications précédentes et tel que le matériau de ladite couche de matériau (100) soit un matériau piézoélectrique.
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| HYOUNG-KYOON JUNG ET AL: "Silicon/quartz bonding and quartz deep RIE for the fabrication of quartz resonator structures", NANO/MICRO ENGINEERED AND MOLECULAR SYSTEMS, 2008. NEMS 2008. 3RD IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON, IEEE, PISCATAWAY, NJ, USA, 6 January 2008 (2008-01-06), pages 1172 - 1176, XP031263630, ISBN: 978-1-4244-1907-4 * |
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| SAMUEL QUESTE ET AL: "DRIE of non-conventional materials: first results", PROCEEDINGS OF THE 4TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON MULTI-MATERIAL MICRO MANUFACTURE, 20 October 2008 (2008-10-20), XP055237514, ISBN: 978-1-904445-76-0 * |
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