WO2017016997A1 - Procede de gravure de materiaux durs - Google Patents

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WO2017016997A1
WO2017016997A1 PCT/EP2016/067492 EP2016067492W WO2017016997A1 WO 2017016997 A1 WO2017016997 A1 WO 2017016997A1 EP 2016067492 W EP2016067492 W EP 2016067492W WO 2017016997 A1 WO2017016997 A1 WO 2017016997A1
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layer
etching
hard mask
opening
implementation
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PCT/EP2016/067492
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Inventor
Thierry SALVETAT
Jean-Jacques Aubert
Alain-Marcel Rey
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Arnano
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Publication date
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    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00388—Etch mask forming
    • B81C1/00428—Etch mask forming processes not provided for in groups B81C1/00396 - B81C1/0042
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
    • H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
    • H03H3/02—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B81C2201/0101—Shaping material; Structuring the bulk substrate or layers on the substrate; Film patterning
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    • B81C2201/013—Etching
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81C2201/0128—Processes for removing material
    • B81C2201/013—Etching
    • B81C2201/0135—Controlling etch progression

Definitions

  • the invention relates to a method for etching a layer of hard material, used for example for the production of precision components, in particular micromechanical parts for the watch industry (balance wheels, spiral springs, etc.), as well as for the realization of microelectronic components such as RF (radio frequency) components: filters, resonators, etc.
  • RF radio frequency
  • Precision components for the watch industry are generally made of special non-magnetic metal alloys with low coefficient of expansion or compensated for in thermal variation by a particular design.
  • These components can also be made of micro-machined silicon by deep reactive ion etching, or DRI E ("Deep Reactive Ion Etching" in English).
  • DRI E Deep Reactive Ion Etching
  • Such etching makes it possible to machine silicon in three dimensions with a precision of the order of a thousandth of a millimeter.
  • the pieces produced by this way therefore all have exactly the same qualities, whether in form or weight. They also have perfectly smooth surfaces. In this way, precisely identical precision components are obtained, making it possible, for example, to increase the performance of the horological movement produced with these components.
  • Silicon is an interesting material for producing clock precision component because it further has a low coefficient of thermal expansion (of the order of 2,6.10 -6 K "1), as I nvar ®, very used in watchmaking.
  • thickness from 100 ⁇ to approximately 150 ⁇ ;
  • Young's modulus of the material 100 to 150 GPa
  • this component In order to improve the quality of this component, it would be advantageous if it had an operating temperature range of between approximately 10 ° C. and 50 ° C., and especially that the Young's modulus of the material used was greater than approximately 200 GPa, for example between 200 and 250 GPa.
  • silicon has a relatively low Young's modulus of about 170 GPa, as Invar ® (of the order of 140-150 GPa).
  • a purely ionic etching where the abrasion is directly obtained by ionic bombardment of the material is also not suitable for engraving these hard materials because this etching is not selective and grazes the material at about the same speed as the resins used. for masking the material, or even less quickly.
  • a deep etching is generally performed, for example on a thickness greater than or equal to about 50 ⁇ .
  • the thickness of resin necessary to perform such an etching is impossible to achieve (a resin can be deposited to a thickness of a few tens of microns to maximum).
  • the resin will be rapidly altered by heating caused by ion bombardment.
  • An object of the present invention is to provide a method of etching a layer of hard material, that is to say whose Young's modulus is greater than or equal to about 170 GPa or whose Vickers hardness is greater or equal to about 1000 kg / mm 2 , not requiring chemical reagents to form volatile compounds with the elements of the etched material, and which can be used to implement a deep engraving (engraving in a material thickness) at least equal to about 50 ⁇ ) or not.
  • the present invention proposes a method of etching at least one layer of material whose Young's modulus is greater than or equal to about 170 GPa or whose Vickers hardness is greater than or equal to about 1000 kg / mm 2 , involving at least the implementation of the following steps:
  • etching of at least a portion of the layer of material at the level of the first opening by the implementation of at least one ionic etching, and / or by the implementation of at least one ion implantation in the portion of the material layer and at least one chemical etching of the portion of the layer of material having undergone ion implantation.
  • This method therefore uses a first metal and / or semiconductor hard mask which, unlike a resin mask, can be made with a large thickness, for example greater than about 10 ⁇ or about 50 ⁇ or more than about 100 ⁇ or 200 ⁇ .
  • a first hard mask By producing such a first hard mask, it is therefore possible to etch the layer of material via the implementation of ion etching and / or ion implantation coupled to a chemical etching.
  • This method also makes it possible to etch hard materials that do not require chemical reagents to form volatile compounds with its elements because the etching used is not a reactive etching such as a conventional RIE or DRIE etching.
  • Ion etching is implemented in an ICP system ("Inductively
  • Coupled Plasma or plasma torch system.
  • This etching which is analogous to an implementation of an ICP-RIE type etching, is however not reactive and only a mechanical machining of the layer of material is obtained.
  • Direct bonding also called “molecular bonding” or “bonding by molecular adhesion”, or called “wafer bonding” or “direct bonding” in English, is an assembly technique for joining two surfaces via a direct contact of these two surfaces without using a gluing material (glue, wax, etc.).
  • the adhesion is obtained thanks to the fact that the surfaces to be bonded are sufficiently smooth (typically with a roughness of the order of 0.5 nm), free of particles or contaminations, and sufficiently close together. one of the other to allow to initiate an intimate contact between the surfaces. In this case, the attractive forces between the two surfaces are high enough to cause molecular bonding of the two surfaces with each other.
  • the direct bonding produced between the layer of material to be etched and the first hard mask makes it possible to confer a very good maintenance of the first hard mask on the layer of material to be etched, especially during the etching of the layer. of material to be engraved.
  • This direct bonding also makes it possible to ensure good thermal transfer between the first hard mask and the layer of material to be etched during the etching of the layer of material to be etched.
  • the material of said layer of material may comprise one or more of the following elements: rare earth aluminate garnet, alexandrite, langasite, langatate, spinel, sapphire, fluorine, YLF, LNO, LTO.
  • the rare earth aluminate garnet can advantageously be YAG.
  • the material of said layer of material is advantageously YAG.
  • Engraving the portion of the material layer at the first opening by implementing at least one ion implantation in the portion of the material layer and at least one chemical etching of the portion of the layer of material having undergone ion implantation may be carried out when the implanted material is chemically stable before implantation, that is to say corresponds to a material that does not get well grounded with the usual microelectronic chemistries (HF, ammonia, H 3 O 4 , H 2 O 2, TMAH, treated water, HNO 3, KOH, acetic acid, or a mixture of these products), that is to say with an etching rate of less than approximately 10 nm / min or even less than about 1 nm / min in the presence of these compounds, and chemically reactive after this implantation, that is to say, which will be etched correctly in the presence of these elements with an etching rate greater than about 10 nm / min or more than about 30 nm / min.
  • HF microelectronic chemistries
  • the thickness of the portion of the layer of material may be greater than or equal to about 50 ⁇ .
  • the thickness of the first hard mask may be at least equal to the product of the thickness of the portion of the layer of material multiplied by the ratio of the speed etching the material of the first hard mask on the etching rate of the material of said layer of material during ion etching.
  • the method may further comprise producing the first opening of the first hard mask which is implemented before or after direct bonding of the first hard mask to the layer of material.
  • the realization of the first opening of the first hard mask may comprise at least the implementation of the following steps: - Realization of a second dielectric hard mask on a metal layer and / or in semiconductor intended to form the first hard mask, the second hard mask being traversed by at least a second opening opening on the metal layer and / or in semi -conductor and corresponding to the reason of the first opening;
  • the realization of the second hard mask may comprise at least the implementation of the following steps:
  • the etching of the portion of the layer of material at the level of the first opening can be carried out by alternately implementing steps of ion etching parts of the portion of the layer of material and chemical cleaning steps removing etching residues generated during the ionic etching steps, and / or alternatively implementing ion implantation steps of portions of the portion of the material layer and chemical etching steps of portions of the portion of the layer of material having undergone the steps of ion implantation.
  • the method may further comprise, after etching the portion of the layer of material, the implementation of a mechanical and / or chemical removal step of the first hard mask.
  • the method may further comprise, before the direct bonding of the first hard mask on the layer of material, the implementation of a direct bonding of the layer of material on a support.
  • the materials of the first hard mask and the support may be similar, and when the etching of the portion of the layer of material is carried out Throughout the entire thickness of the layer of material, the removal of the first hard mask can be obtained by the implementation of a chemical etching also etching the support and releasing the layer of material vis-à-vis the support.
  • the invention also relates to a method for producing at least one micromechanical part, comprising the implementation of an etching process as described above and such that at least one remaining portion of the layer of material obtained after the implementation of the etching process corresponds to the micromechanical part.
  • the micromechanical part may advantageously correspond to a spiral clock spring.
  • the invention also relates to a method for producing a radiofrequency filter, comprising the implementation of an etching process as described above and such that the material of said layer of material is a piezoelectric material.
  • FIG. 1 to 7 show the steps of a method of etching a layer of material, object of the present invention, according to a particular embodiment
  • FIG. 8 shows a spiral spring made by implementing an etching process object of the present invention.
  • FIGS. 1 to 7 represent the steps of a method of etching a layer of material 100 according to a particular embodiment.
  • the material of the layer 100 is a material whose Young's modulus is greater than or equal to about 170 GPa, or whose Vickers hardness is greater than or equal to about 1000 kg / mm 2 .
  • the material of layer 100 is YAG, i.e. Y3Al5O12.
  • This material could also be composed of one or more of the following elements: rare earth aluminate garnet (TR3AI5O12, with TR corresponding to the element of the rare earth type), alexandrite (BeAI 2 0 4 ), langasite (La3GaSiOi 4 ) langatate (La3Ga5,5Tao, 50i 4), spinel (MgAl 2 0 4), sapphire, fluorinated material such as fluorite (CaF 2) or YLF (LiYF 4), piezoelectric material such as LNO (b0 LiN 3 ) or LTO (LiTa0 3 ).
  • rare earth aluminate garnet TR3AI5O12, with TR corresponding to the element of the rare earth type
  • BeAI 2 0 4 alexandrite
  • langasite La3GaSiOi 4
  • langatate La3Ga5,5Tao, 50i 4
  • spinel MgAl 2 0 4
  • sapphire fluorinated material
  • the layer 100 has a thickness (dimension along the Z axis shown in Figure 1) equal to or greater than about 50 ⁇ , and here pa r example between about 100 ⁇ and 150 ⁇ .
  • the lateral dimensions of the layer 100 may not correspond to the standard dimensions of the substrates, or wafers, in the field of microelectronics.
  • the layer 100 is bonded to a support 102 corresponding here to a substrate of standard lateral dimensions, for example of diameter equal to 300 mm ( Figure 1).
  • This substrate is here composed of semiconductor, for example silicon.
  • the bonding of the layer 100 to the support 102 also makes it possible to reinforce the mechanical retention of the layer 100 and to facilitate its handling because the support 102 can serve as a mechanical handle during manipulations.
  • the bonding of the layer 100 to the support 102 is advantageously a direct bonding, which makes it possible to confer a very good maintenance of the layer 100 on the support 102 during the implementation of the following steps of the etching process, and also ensures a good heat transfer between the layer 100 and the support 102 especially during the subsequent etching of the layer 100.
  • the layer 104 will be used to make a first hard mask 105 which will be used to etch the layer 100.
  • the layer 104 corresponds to a silicon substrate.
  • the thickness of the layer 104 is chosen as a function of the thickness of the layer 100 which is intended to be etched, as well as the selectivity of etching by the ion beam of the material of the layer 100 with respect to that of the layer 104.
  • the thickness of the layer 104 is chosen greater than or equal to the thickness of the layer 100 multiplied by the ratio between the etching speed of the material of the layer 104 on the etching rate of the material of the layer 100 during the ion etching.
  • the thickness of the layer 104 is chosen to be greater than or equal to about twice the thickness of the layer 100, that is to say greater than or equal to about 200 ⁇ .
  • the layer 104 comprises nickel or chromium, and has a thickness between about 20 ⁇ and 150 ⁇ .
  • the layer 104 is secured to the layer 100 via the implementation of a direct bonding between these two layers, which makes it possible to confer a very good maintenance of the layer 104 on the layer 100 during the implementation of the following steps the etching process, and also ensures a good heat transfer between the layers 104 and 100 during the subsequent steps of the process, especially during the etching of the layer 100.
  • the layer 104 and the layer 100 it is possible to interpose at least one intermediate layer of oxide (for example comprising SiOx), nitride (comprising for example SiNx) or metal (for example comprising copper, tungsten, Ti or TiN).
  • This intermediate layer may have a thickness between about 10 nm and 1 ⁇ .
  • This intermediate layer can be constrained.
  • Such an intermediate layer makes it possible to promote direct bonding between the layers 100 and 104, and / or to absorb all or part of the stresses generated in the stack because of the difference in coefficient of thermal expansion between the materials in the presence, when steps leading to thermal budgets (in particular during the etching of the layer 100.
  • This intermediate layer may be initially disposed on one of the faces of the layers 100 and 104 intended to be secured to one another, or else being obtained by forming, on each of the two faces of the layers 100 and 104 intended to be secured to one another, a part of this intermediate layer which, when arranged one against the other, together form this intermediate layer.
  • An annealing can then be implemented in order to increase the bonding energy between the layers 100 and 104.
  • This annealing also makes it possible to increase the bonding energy between the layer 100 and the support 102.
  • This annealing can be carried out under a di-nitrogen atmosphere, for example at a temperature between about 100 ° C and 300 ° C depending on the materials in the presence and more particularly their difference in coefficient of thermal expansion.
  • the layer 104 is then etched to form the first hard mask 105. This etching is intended to form one or more first openings in the layer 104 whose pattern corresponds to that intended to be etched in the layer 100.
  • a layer dielectric 106 for forming a second hard mask 107 is deposited on the layer 104 ( Figure 3).
  • the layer 106 is deposited via a full-plate deposit, parts of this layer 106 are also deposited on parts of the layer 100 not covered by the layer 104 as well as on parts of the support
  • the dielectric material of the layer 106 is, for example, SiN or SiO 2 , and the thickness of the layer 106 is, for example, between about 3 ⁇ and 5 ⁇ .
  • a resin mask 108 is then made on the structure produced, and covers the parts of the layer 106 which are not intended to be etched.
  • the mask 108 comprises one or more openings 110 formed by photolithography and etching, and whose pattern corresponds to that of the second or second openings 112 intended to be formed through the layer 106 (themselves having a pattern corresponding to that of the or first openings of the first hard mask 105 to be made from the layer 104).
  • An etching of the layer 106 for example a plasma etching, is then implemented, forming the second or second openings 112 through the layer 106, and thus forming the second hard mask 107 ( Figure 4).
  • the resin mask 108 is then removed, then the layer 104 is etched in the pattern defined by the second hard mask 107, for example by deep plasma etching, forming the first opening or openings 114 through the layer 104 (FIG. 5) .
  • the first hard mask 105 is thus obtained.
  • the first hard mask 105 is then used to etch the layer 100 according to the pattern defined by the first opening or openings 114.
  • the layer 100 may be etched using ionic etching, thereby transferring the pattern of the first opening or openings 114. in the layer 100.
  • This ionic etching the layer 100 by forming one or more openings 116 which here pass through the entire thickness of the layer 100.
  • This ion etching also etches the other materials in the presence, that is to say the second hard mask 107, the first hard mask 105 and the support 102, thereby reducing the thickness of these elements.
  • the thickness of the first hard mask 105 is sufficiently large so that at least a portion of the first hard mask 105 is still present on the layer 100 at the end of this ion etching.
  • FIG. 6 it can be seen that part of the first hard mask 105 is always present on the layer 100 after the formation of the first opening or openings 116 through the layer 100.
  • the support 102 also has a thickness sufficient for that it is not engraved throughout its thickness during the implementation of this ion etching.
  • the opening 116 formed through the layer 100 also extends through a portion of the thickness of the support 102.
  • the ion etching is implemented in an ICP type etching system that is typically used to implement a type of engraving ICP-RIE (eg, an etching equipment sold by Corial ® under the name Corial 210IL) .
  • the RF power of the etching equipment used is, for example, equal to 400 W or 800 W.
  • the ICP power of the etching equipment used is, for example, equal to 800 W or 1600 W.
  • the RF and ICP powers of the etching equipment used are for example equal to about 800 W each.
  • the ICP etching implemented is not a reactive ion etching because no volatile compound is generated by the implementation of this etching.
  • the chemical composition of the gas used is for example the following: CH F3: 100 sccm; Cl 2 : 30 sccm; 0 2 : 25 sccm.
  • Etching is carried out with a working pressure of about 5.7 mT (about 0.76 Pa), and with a cathode temperature of about 20 ° C.
  • Engraving equipment can be used by placing a liner in the vacuum etch chamber.
  • the liner forms an enclosure, for example of cylindrical shape, within which the plasma is generated and the etching is carried out.
  • This liner can be removable in order to have, when implementing another engraving, a clean liner in the room. Indeed, since the etched materials do not form volatile compounds that can be evacuated by vacuum pumping, the etched materials are redeposited on the walls of the etching chamber, and thus here on the liner. It is therefore possible, after the engraving implemented, to disassemble the liner to clean it and / or replace it with another liner, which notably makes it possible to save a lot of time compared with a long and difficult cleaning of the liner. an engraving chamber that does not include this liner.
  • the liner comprises a material, for example quartz, which can withstand the high temperatures generated by etching.
  • the table below shows the etching rates obtained, in ⁇ / min, for different RF and ICP powers, and for different materials, by engraving a spiral spring pattern. These values are measured between the coils of the spiral spring, except those indicated in parentheses which are measured at the center of the spiral spring.
  • etching rates measured are relatively high. Regardless of the etched material, these etch rates increase when the ICP and RF powers are larger. However, RF power plays a predominant role in increasing the etching rate of quartz. The etching rate of the quartz is lower in the areas between the arms of the spiral spring than in the open area in the center thereof. On the contrary, glass etching is more sensitive to the power of the ICP.
  • the burning speed of the LTO under the highest power conditions is 0.46 ⁇ / min which is compatible with the deep etching application.
  • the speed of etching of the YAG type optical crystal (up to 0.15 ⁇ / min) is mainly determined by the RF power.
  • the etching of the layer 100 is performed by alternately implementing several ion etching steps, each etching a portion of the thickness of the layer 100, and several chemical cleaning steps removing etching residues generated during the ionic etching steps.
  • the portion or portions of the layer 100 that are etched correspond to that (s) located above the previously etched (s).
  • the etching of the layer 100 can also be carried out by implementing an ion implantation of the material of the layer 100 through the first opening or openings 114 of the first hard mask 105, and of a chemical etching of the one or more portions of material having undergone ion implantation.
  • This ion implantation makes it possible to render amorphous the material receiving the ion beam (for example formed of Ne + ions).
  • the chemical etching used corresponds, for example, to wet etching using a solution of concentrated H 3 0 4 at high temperature (for example greater than about 80 ° C.).
  • the etching of the layer 100 is advantageously carried out by alternately implementing several ion implantation steps, each performing ion implantation in a portion of the thickness of the layer 100, and several steps of etching portions of the portion of the layer of ionically implanted material.
  • the portion or portions of the layer 100 that are implanted are located above the previously engraved (s).
  • the first hard mask 105 is removed mechanically, for example by implementing a mechano-chemical planarization (CMP) step, and / or chemically by etching.
  • CMP mechano-chemical planarization
  • the removal of the first hard mask 105 is advantageously achieved by the implementation of a chemical etching, for example via a TMAH solution for etching silicon, this etching also releasing the layer 100 vis-à-vis -vis the support 102 which is etched at its interface with the layer 100 ( Figure 7).
  • the opening or openings 116 formed through the layer 100 thus define the contours of the elements produced via this etching process, corresponding here to micromechanical parts 118.
  • the layer 104 is first secured to the layer 100 and then the first hard mask 105 is made from this layer 104.
  • the first hard mask 105 is glued on the layer 100 after having been made, that is to say after the opening or openings 114 have been made in the layer 104.
  • steps similar to those previously described in connection with the figures 3 to 5 are implemented prior to the bonding of the first hard mask 105 on the layer 100.
  • the layer 100 is etched over its entire thickness, the opening or openings 116 passing through the layer 100 from its upper face to its lower face.
  • the layer 100 may be etched through only a part of its thickness, the openings 116 being in this case formed only through part of the thickness of the layer 100.
  • This etching process can be implemented to perform any type of etching for many areas of technology.
  • this etching process is implemented to produce micromechanical parts 118 intended to be used in the field of watchmaking.
  • this method is particularly advantageous for producing, from a layer 100 of hard material, spiral springs of watches.
  • FIG. 8 represents such a spiral spring 118.
  • This spiral spring 118 is formed of a blade 120 made of at least one hard material corresponding to one or more of those previously described for layer 100.
  • the operating temperature range of the spiral spring 118 is between about 10 and 50 ° C.
  • the torque of the spiral spring 118 that can be obtained is equal to about 2.10 4 N.mm.
  • the use of such a spiral spring 118 in a clockwork movement makes it possible to obtain a precision of between approximately -4 and +6 seconds / 24h.
  • the spiral spring 118 is intended to be part of a mechanical oscillator comprising the spiral spring 118 and a rocker, forming a flywheel, to which the spiral spring 118 is mechanically coupled via one of its ends. Another end of the spiral spring 118 is fixed to the part in which pivots the axis of the balance.
  • This etching process can also be used to carry out the etching of piezoelectric materials such as LNO or LTO to form, for example, bulk wave, surface wave or Lamb wave filters consisting of micrometric patterns of thickness between about 10 nm and 20 ⁇ arranged between two metal electrodes.
  • This type of etching is advantageous for the definition of these patterns as well as for the production of release holes in order to make contact with the lower electrode, that is to say the electrode on which the patterns are arranged.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Micromachines (AREA)

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 dans un système ICP, 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 matéria u 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 DRI E (« 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 ha ute 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'I nvar®, 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 μιη à 150 μιη environ ;
- largeur de bras : 40 +/- 10 μιη ;
- espacement entre spires : 200 +/- 50 μιη ; - 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 œuvre 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 μιη. 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 œuvre d'une gravure qui soit profonde (gravure dans une épaisseur de matériau au moins égale à environ 50 μιη) 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 œuvre 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 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.
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 μιη ou environ 50 μιη voire supérieure à environ 100 μιη ou 200 μιη. 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 classique.
La gravure ionique est mise en œuvre dans un système ICP (« Inductively
Coupled Plasma »), ou système de torche à plasma. Dans un tel système, compte tenu des matériaux en présence au cours de la mise en œuvre de ce procédé, ceux-ci ne génèrent pas de composés volatiles. Cette gravure, qui est analogue à une mise en œuvre d'une gravure de type ICP-RIE, n'est toutefois pas réactive et seul un usinage mécanique de la couche de matériau est obtenu.
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.
Le matériau de ladite couche de matériau est 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, H3 04, 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 μιη.
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 œuvre 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 œuvre 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 semiconducteur 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 œuvre 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 œuvre 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 com prises 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 (BeAI204), langasite (La3GaSiOi4), langatate (La3Ga5,5Tao,50i4), spinelle (MgAI204), saphir, matériau fluoré tel que la fluorine (CaF2) ou le YLF (LiYF4), matériau piézoélectrique tel que du LNO (LiN b03) ou du LTO (LiTa03).
La couche 100 a une épaisseur (dimension selon l'axe Z représenté sur la figure 1) éga le ou supérieure à environ 50 μιη, et ici pa r exemple comprise entre environ 100 μιη et 150 μηη.
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 éga lement de renforcer le maintien mécanique de la couche 100 et faciliter sa ma nipulation 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 μιη, 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 μιη.
Il est possible que la couche 104 comporte du nickel ou du chrome, et ait une épaisseur comprise entre environ 20 μιη et 150 μιη.
La couche 104 est solidarisée à la couche 100 via la mise en œuvre 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 œuvre 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.
De manière avantageuse, entre la couche 104 et la couche 100, il est possible d'interposer au moins une couche intermédiaire d'oxyde (comprenant par exemple du SiOx), de nitrure (comprenant par exemple du SiNx) ou métallique (comprenant par exemple du cuivre, du tungstène, du Ti ou du TiN). Cette couche intermédiaire peut avoir une épaisseur comprise entre environ 10 nm et 1 μιη. Cette couche intermédiaire peut être contrainte. Une telle couche intermédiaire permet de favoriser le collage direct entre les couches 100 et 104, et/ou d'encaisser tout ou partie des contraintes générées dans l'empilement du fait de la différence de coefficient de dilatation thermique entre les matériaux en présence, lors d'étapes induisant des budgets thermiques (notamment lors de la gravure de la couche 100. Cette couche intermédiaire peut être disposée initialement sur l'une des faces des couches 100 et 104 destinées à être solidarisées l'une avec l'autre, ou bien être obtenue en formant, sur chacune des deux faces des couches 100 et 104 destinées à être solidarisées l'une avec l'autre, une partie de cette couche intermédiaire et qui, une fois disposée l'une contre l'autre, forment ensemble cette couche intermédiaire.
Un recuit peut ensuite être mis en œuvre 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 SiN ou du Si02, et l'épaisseur de la couche 106 est par exemple comprise entre environ 3 μιη et 5 μιη.
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 œuvre, 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 œuvre 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 œuvre 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.
La gravure ionique est mise en œuvre dans un système de gravure de type ICP qui est généralement utilisé pour mettre en œuvre une gravure de type ICP-RIE (par exemple, un équipement de gravure commercialisé par la société Corial® sous la dénomination Corial 210IL). La puissance RF de l'équipement de gravure utilisé est par exemple égale à 400 W ou 800 W. La puissance ICP de l'équipement de gravure utilisé est par exemple égale à 800 W ou 1600 W. De manière avantageuse, pour une gravure de YAG, les puissances RF et ICP de l'équipement de gravure utilisé sont par exemple égales à environ 800 W chacune. Etant donné les matériaux en présence, la gravure ICP mise en œuvre n'est pas une gravure ionique réactive car aucun composé volatile n'est généré par la mise en œuvre de cette gravure. La composition chimique du gaz utilisé est par exemple la suivante : CH F3 : 100 sccm ; Cl2 : 30 sccm ; 02 : 25 sccm. L'unité sccm signifie « standard cubic centimeters per minute », soit un centimètre cube par minute dans les conditions suivantes: Température = 0°C (32°F) et Pression = 101.325 kPa (14.6959 psia). La gravure est mise en œuvre avec un pression de travail égale à environ 5,7 mT (soit environ 0,76 Pa), et avec une température de cathode égale à environ 20°C.
L'équipement de gravure peut être utilisé en disposant un liner dans la chambre de gravure sous vide. Le liner forme une enceinte, par exemple de forme cylindrique, au sein de laquelle le plasma est généré et la gravure se réalise. Ce liner peut être démontable afin de pouvoir disposer, lors de la mise en œuvre d'une autre gravure, un liner propre dans la chambre. En effet, étant donné que les matériaux gravés ne forment pas de composés volatiles pouvant être évacués par pompage sous vide, les matériaux gravés se redéposent sur les parois de la chambre de gravure, et donc ici sur le liner. Il est donc possible, après la gravure mise en œuvre, de démonter le liner pour le nettoyer et/ou le remplacer par un autre liner, ce qui permet d'obtenir notamment un gain de temps important par rapport à un nettoyage long et difficile d'une chambre de gravure qui ne comporterait pas ce liner. Le liner comporte un matériau, par exemple du quartz, pouvant supporter les températures élevées engendrées par la gravure.
Le tableau ci-dessous indique les vitesses de gravure obtenues, en μιη/min, pour différentes puissances RF et ICP, et pour différents matériaux, en gravant un motif de ressort spiral. Ces valeurs sont mesurées entre les spires du ressort spiral, sauf celles indiquées entre parenthèses qui sont mesurées au centre du ressort spiral.
Puissance RF 400 W 400 W 800 W 800 W
Puissance ICP 800 W 1600 W 800 W 1600 W
Quartz 0,27 0,33 (0,61) 0,46 (0,84) 0,56
Verre 0,32 - 0,45 0,61
LTO 0,12 - - 0,46
YAG 0,03 0,08 0,15 - Les vitesses de gravure mesurées s'avèrent relativement élevées. Quel que soit le matériau gravé, ces vitesses de gravure augmentent lorsque les puissances ICP et RF sont plus importantes. Cependant, la puissance RF joue un rôle prédominant pour l'augmentation de la vitesse de gravure du quartz. La vitesse de gravure du quartz est plus faible dans les zones entre les bras du ressort spiral que dans la zone ouverte au centre de celui-ci. Au contraire, la gravure du verre est plus sensible à la puissance de l'ICP. La vitesse de gravure du LTO dans les conditions de puissance les plus élevées est de 0,46 μιη/min ce qui est compatible avec l'application de gravure profonde. La vitesse de gravure du cristal optique de type YAG (jusqu'à 0,15 μιη/min) est principalement déterminée par la puissance RF.
De manière avantageuse, la gravure de la couche 100 est réalisée en mettant en œuvre 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'H3 04 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 μιη, 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 œuvre 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 μιη et 150 μιη ;
- largeur de la lame 120 comprise entre environ 30 μιη et 50 μιη ;
- espacement entre deux spires voisines du ressort spiral 118 compris entre environ 150 μιη et 250 μιη ;
- 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 μιη 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

REVENDICATIONS
1. 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 dans un système ICP, 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 la revendication 2, dans lequel le matériau de ladite couche de matériau (100) est du YAG.
4. 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 μιη.
5. 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.
6. 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 œuvre avant ou après le collage direct du premier masque dur (105) sur la couche de matériau (100).
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la réalisation de la première ouverture (114) du premier masque dur (105) comporte au moins la mise en œuvre 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 semiconducteur (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).
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la réalisation du deuxième masque dur (107) comporte au moins la mise en œuvre 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).
9. 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 œuvre alternativement des étapes de gravure ionique de pa rties 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 œuvre alternativement des étapes d'implantation ionique de parties de la portion de la couche de matériau (100) et des éta pes de gravure chimique des parties de la portion de la couche de matériau (100) ayant subies les étapes d'implantation ionique.
10. 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).
11. 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).
12. Procédé selon les revendications 10 et 11, da ns 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).
13. 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).
14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel la pièce de micromécanique (118) correspond à un ressort spiral d'horlogerie.
15. Procédé de réalisation d'un filtre radiofréquence, comportant la mise en œuvre 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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