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EP3586200A2 - Piece d'horlogerie micromecanique multi-niveaux et son procede de fabrication - Google Patents

Piece d'horlogerie micromecanique multi-niveaux et son procede de fabrication

Info

Publication number
EP3586200A2
EP3586200A2 EP18709929.6A EP18709929A EP3586200A2 EP 3586200 A2 EP3586200 A2 EP 3586200A2 EP 18709929 A EP18709929 A EP 18709929A EP 3586200 A2 EP3586200 A2 EP 3586200A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
substrate
subsets
portions
timepiece
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18709929.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Michel Despont
Philippe Niedermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Original Assignee
Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM filed Critical Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Publication of EP3586200A2 publication Critical patent/EP3586200A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/04—Oscillators acting by spring tension
    • G04B17/06—Oscillators with hairsprings, e.g. balance
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B15/00—Escapements
    • G04B15/06—Free escapements
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/04—Oscillators acting by spring tension
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B29/00—Frameworks
    • G04B29/02—Plates; Bridges; Cocks
    • G04B29/022—Bridges
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B29/00—Frameworks
    • G04B29/02—Plates; Bridges; Cocks
    • G04B29/027—Materials and manufacturing
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04D—APPARATUS OR TOOLS SPECIALLY DESIGNED FOR MAKING OR MAINTAINING CLOCKS OR WATCHES
    • G04D3/00—Watchmakers' or watch-repairers' machines or tools for working materials
    • G04D3/0069—Watchmakers' or watch-repairers' machines or tools for working materials for working with non-mechanical means, e.g. chemical, electrochemical, metallising, vapourising; with electron beams, laser beams
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B5/00—Devices comprising elements which are movable in relation to each other, e.g. comprising slidable or rotatable elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00134—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising flexible or deformable structures
    • B81C1/00142—Bridges

Definitions

  • the present invention relates to the field of watchmaking. More particularly, it relates to a multi-level micromechanical timepiece comprising movable elements relative to each other and having a monolithic structure.
  • the invention finds particular application in the production of oscillators and regulator components for the watch industry.
  • the invention also relates to a method of manufacturing such a multi-level micromechanical timepiece.
  • Watchmaking mechanisms require the production and implementation of a very large number of parts of various sizes, shapes and sections, arranged in relation to each other within the mechanisms to fulfill the different particular functions. assigned to these mechanisms, be it the counting and display of time calendars or other ancillary functions.
  • the isochronism and the power reserve among others the various components of such mechanisms generally have little evolved in their forms but have however considerably evolved in their constituent materials, their manufacturing processes, their mechanical and physical properties and, consequently, their pure performances and those of mechanisms implementing them.
  • the present invention thus aims to at least partially solve the defects of watch components formed from semiconductor materials for the realization of timepieces and clockwork mechanisms more robust and compact, and having fewer separate components. Disclosure of the invention
  • the invention relates to a micromechanical timepiece, comprising a plurality of functional subassemblies integral and superimposed on each other in a direction to form a multi-level assembly, characterized in that each functional subassembly consists of the same semiconductor material and is secured to another subassembly by bridges made of said semiconductor material, and in that at least one said subassembly comprises at least one at least two distinct portions, said portions being movable relative to one another and with respect to another subassembly of which at least one said portion is integral, via at least one deformable connection formed of material between said portions.
  • said subsets, their portions, bridges and deformable link (s) form a monolithic piece.
  • said subsets and bridges are made of silicon (Si), silicon-germanium alloy (Si x Gei -x), germanium (Ge), gallium nitride (GaN), or silicon carbide (SiC).
  • said subsets and bridges consist of polycrystalline or amorphous silicon.
  • said subsets and bridges or parts thereof are made of doped silicon, in particular to make it conductive and / or to improve its thermocompensation properties.
  • said subassemblies and bridges or parts thereof can further be coated with a functionalization layer, in particular a thermocompensation layer, based on silicon dioxide (SiO 2) for example, a damping layer or a protective layer.
  • a functionalization layer in particular a thermocompensation layer, based on silicon dioxide (SiO 2) for example, a damping layer or a protective layer.
  • SiO 2 silicon dioxide
  • a protective layer polymeric materials such as parylene or a monolayer of silanes provide advantageous performance.
  • said subsets are spaced from each other by a distance of between 0.1 and 20 microns, preferably between 0.5 and 10 microns, by bridges in the (Z) direction.
  • the deformable links consist of flexible blades whose thickness, measured in a plane perpendicular to the direction (Z) is between 2 and 50 microns.
  • said portions of a said subassembly are rotatable about a virtual axis of rotation or in translation in a plane perpendicular to the direction (Z).
  • At least two said subsets directly superimposed in the direction (Z) form a trundle structure, that is to say composed of integral members of said subsets and nested within each other. other with play, in particular to provide a device for limiting movement (stop, shock prevention) and / or guiding and / or to provide a self-alignment in the direction (Z) between two subsets.
  • the trundle structure may comprise interdigitated members, that is to say members with fingers, extending from a base in opposite directions in directions parallel to the direction (Z), for example to limit the lateral stroke perpendicular to the direction (Z) of said subsets relative to each other.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing a timepiece as previously defined.
  • this method essentially comprises the following successive steps: a. Providing a substrate of a semiconductor material, said substrate preferably comprising alignment markings on a first face, b. Deposit on a second face of the substrate a layer of sacrificial material of height h determined and homogeneous over the entire surface of the second face of the substrate; vs. Structuring the layer of sacrificial material by an etching process to form openings therein throughout its height h; d.
  • a growth layer of a semiconductor material of the same nature as the substrate on the layer of sacrificial material of in order to fill the previously formed openings and completely cover it e. Structuring the growth layer by a deep etching process to form a first functional subset comprising movable portions relative to one another and to the substrate through at least one deformable link; f. Structuring the semiconductor material substrate by a deep etching method forming a second functional subset comprising portions movable relative to each other and with respect to the growth layer via a deformable link at least ; boy Wut. Remove the layer of sacrificial material between the substrate and the growth layer to form connecting bridges between said subsets and release said timepiece.
  • steps e) and f) involve the implementation of a reactive ion etching process
  • the substrate and the growth layer are formed of the same semiconductor material, including silicon (Si), silicon-germanium alloy (Si x Gei -x), germanium (Ge), of nitride gallium (GaN), or silicon carbide (SiC)
  • the substrate and the growth layer are formed of the same doped semiconductor material.
  • the growth layer is formed by growth of silicon on the substrate in the openings formed in the sacrificial material layer and on its surface which, in the case of silicon as a growth layer, could advantageously be SiO 2.
  • steps b) to e) n times are repeated, n being an integer between 1 and 5, before or after step f).
  • steps b) to e) n are repeated, n being an integer between 1 and 5, on both sides of the substrate.
  • an intermediate step of planarization of each growth layer is carried out between steps d) and e), in particular by polishing.
  • FIG. 1 represents a section in a vertical plane of a timepiece according to the invention
  • FIGS. 2 and 3 show two embodiments of a timepiece according to the invention
  • FIG. 4 represents the steps of the method of manufacturing the timepiece of FIG. 1;
  • FIG. 5 represents a variant of the method of manufacturing a timepiece of FIG. 4.
  • the present invention proposes a new type of watch components of multi-level structure, that is to say comprising a plurality of functional "stages" integral with each other, said so-called functional stages integrating movable elements with respect to the others. floors.
  • watchmaking components include in particular flip-flops or jumpers, again mainly oscillators for regulating members.
  • FIG. 1 represents, in section along a vertical plane XZ, defined in an orthonormal frame ⁇ , ⁇ , Z, a first exemplary embodiment of a timepiece 1 according to the present invention as defined in the claims.
  • the timepiece 1 of the invention forms a clock component of monolithic structure obtained by methods of etching a single semiconductor material as will be described below with reference to FIGS. 3 to 6.
  • Timepiece 1 comprises in the example shown two functional subsets 1 a, 1 b integral with each other and superimposed on each other in the direction Z by bridges 5 formed of material between the sub-assemblies 1a, 1b to form a multi-level component in this direction at least.
  • Each functional subset 1 a, 1 b and the bridges 5 thus consist of the same semiconductor material and the subsets 1 a, 1 b are spaced from each other by a distance of between 0.1 and 20 microns, preferably between 0.5 and 10 microns, by the bridges 5 in the Z direction.
  • at least one of the subsets 1 a, 1 b is composed of at least two distinct portions 2, 3 of which 1, in the figures the portion 3, is movable through at least one deformable connection (not shown in the figures) relative to the other portion, in the figures the portion 2, which is integral with at least one said portion 2, 3 of the other subset 1a, 1b.
  • the deformable connection is advantageously formed of material between said portions 2, 3 during the etching of the timepiece, in particular takes the form of one or more flexible blade (s) whose thickness, measured in a plane perpendicular to the Z direction is between 2 and 50 microns preferably.
  • the subsets 1 a, 1 b are offset and separated by a space 4 in the direction Z from each other so that the movable portions 3 of each subassembly 1 a, 1 b can move without friction in planes parallel to the XY plane, perpendicular to the Z direction.
  • FIG. 2 thus represents a timepiece 1 according to the invention in which cavities 7 are arranged and in which the mobile portions 3 of a said subset 1b are able to move.
  • Such an embodiment thus has the advantage of providing a micromechanism, in this case the subset 1b at least, integrated, or encapsulated, between two levels, here constituted by subsets lower 1a and higher 1 c .
  • the timepiece 1 thus formed is extremely robust and protected from exogenous disturbances such as dust or the like that could be inserted otherwise between the portions 2, 3 of the part and its subassemblies 1 a, 1 b.
  • FIG. 3 represents another variant embodiment in which the timepiece 1 comprises a cavity 7 formed between two sets 1a, 1b superimposed in the Z direction and form a nesting structure composed of nested members 8, 9 in each other with play in the direction Z, one of said members 8, 9 at least also being a movable portion 2, 3 of a subset 1a, 1b.
  • These nested members 8, 9 advantageously make it possible to produce a stop structure internal to the timepiece 1, thus making it possible to limit the displacements and to absorb the shocks of the mobile portions 2, 3 in planes perpendicular to the Z axis. or even to provide a movement guide according to the particular configuration of said members 8, 9.
  • the latter may in particular take the form of fingers or combs extending from a subassembly 1a, 1b to the other subassembly in opposite directions and without contact with them. They can also take any other form adapted to the needs, provided that said members can nest into each other along the axis Z.
  • the semiconductor material constituting the piece timepiece 1 and all its functional elements is polycrystalline silicon.
  • amorphous silicon may also be used, as well as other commonly employed semiconductor material in the fields of microelectronics such as silicon-germanium alloy (Si x Gei -x), germanium (Ge), gallium nitride (GaN), or silicon carbide (SiC).
  • the timepiece 1 of the invention makes it possible for the first time to design and manufacture micromechanical watchmaking components, and especially oscillators, equipped with a stepped monolithic structure and integrating mobile portions 3 via deformable links. realized in the mass of the timepiece 1 and the different subsets 1a, 1b forming the levels or stages thereof.
  • Such a monolithic structure of the timepiece 1 of the invention provides an optimal structural alignment of the different subsets 1a, 1b along the Z axis of superposition of said subsets 1a, 1b, which corresponds to this will emerge subsequently to the growth axis of the constituent material of the timepiece.
  • the intrinsic mechanical strength of the timepiece 1 of the invention and its various subsets 1a, 1b and portions 2, 3 is thus greatly improved, as well as the accuracy of the mobility games between moving portions, and therefore the accuracy and reliability of the timepiece 1 with respect to the analogous watch components obtained by assembling the various subassemblies, in particular by technical bonding or surface hybridization complexes from components derived from silicon wafers. on insulator (or SOI for silicon on insulator in English).
  • the timepiece of the invention being formed of a single material without assembly thereof also has a thermal expansion coefficient (CTE) homogeneous throughout the room, allowing greater stability and response thermal thereof, so a better isochronism potential of a regulating member incorporating such a timepiece.
  • CTE thermal expansion coefficient
  • thermal coefficient of expansion is also possible by favoring as material constituting the timepiece the use of a doped silicon, in particular an n-type doping. Such doping can furthermore provide, if necessary, a conductive character to the silicon forming the part of time of the invention. It is also possible to optimize the overall coefficient of thermal expansion of the timepiece of the invention by treating subsets 1a, 1b and bridges 5 or parts of them with a layer of functionalization such as a thermocompensation layer, for example silicon oxide in the case of a silicon micromechanism.
  • a layer of functionalization such as a thermocompensation layer, for example silicon oxide in the case of a silicon micromechanism.
  • a functionalization layer on the subsets 1a, 1b and bridges 5 or parts thereof is not limited, of course, not only to the adjustment of the thermal properties of the timepiece 1 of the invention but may also be useful for any other functional improvement of the inherent properties of the constituent material of the timepiece 1 or its performance over time. It is thus possible in particular to envisage a coating of the subsets 1a, 1b and mobile portions 3 thereof by a damping layer or a protective layer such as a corrosion prevention layer, a layer of material hydrophobic, a chemical barrier layer or a tribological layer.
  • Timepiece 1 of the present invention in its general form shown in FIG.
  • a first silicon substrate S is provided on a first face S 1 with alignment markings 6 adapted to position the substrate on a support in a reference position. from which the substrate will be structured in successive steps.
  • a layer 10 of sacrificial material for example preferably silicon dioxide, is then deposited on a second face S2 opposed to the first of the substrate over the entire surface of the second face S2 of the substrate S .
  • a third step (c) shown in Figure 2B structure the sacrificial material layer 10 by a deep etching process to form therein openings 1 1 over its entire height.
  • the engraving process may be of various nature but reactive ion etching processes, better known by the acronym RIE for "Reactive Ion Etching" in English, are preferred.
  • the sacrificial layer thus structured is then deposited thereon a silicon growth layer 20 in a fourth step (d).
  • steps b) and / or d) it will be possible after steps b) and / or d) to provide an intermediate step for flattening the surface of said layer of sacrificial material 10 and growth layer 20, in particular by polishing or grinding.
  • Such a planarization step makes it possible to guarantee a perfectly flat surface state for the growth of the growth layer 20 and / or any other additional layer.
  • the following two steps consist in structuring the growth layer 20 on the one hand (FIG 4D) and the substrate S on the other hand (FIG 4E), again by a method of deep etching of type DRIE (Deep Reactive Ion Etching in English), to form openings 12 defining said portions 2, 3 of a first and a second subassembly 1a, 1b, a portion 3 being movable relative to the other via at least one deformable link.
  • the formation of the portions 2, 3 then results entirely from the mask defining the particular configuration chosen by design by the designer or designers for the timepiece 1.
  • the layer of sacrificial material 10 must be withdrawn between the substrate S and the growth layer 20 previously structured so as to form the connecting bridges 5 between said subassemblies 1. a, 1b, and if necessary that intermediate links (not shown in Figure 4) between the individual pieces thus formed.
  • the said clockwork part (s) 1 thus formed in the substrate S is released, if necessary by breaking the intermediate links using any suitable tool.
  • the method of the invention does not involve any machining and the formation of subsets 1a, 1b of the timepiece of the invention results essentially from growth techniques, method photolithography and etching which ensures an optimal alignment of the subsets 1a, 1b and their movable elements 3,4 depending on the desired design, without the application of external mechanical stresses in the constituent material of the room .
  • the implementation of a structuring of the substrate S, the sacrificial material layer 10 and the growth layer 20 by etching processes also allows a very good dimensional control of the formed parts and their functional elements, in particular deformable links between the portions 2, 3, as well as their geometry, and despite their very small dimensions of a few tenths of millimeters to a few millimeters barely. This ensures a better reproducibility of manufacture as well as a better intrinsic and extrinsic quality of the timepieces 1 thus produced.
  • the removal of the sacrificial layer 10 of silicon dioxide, in the case of the use of silicon as a structural material, before release of the timepieces 1 can be carried out in a conventional manner by etching on the basis of hydrofluoric acid. liquid or gaseous phase for example.
  • the substrate S and the growth layer 20 used in the process of the invention consist of the same semiconducting material, preferably of silicon, polycrystalline or amorphous material. if necessary doped.
  • Other semiconductor materials are also envisaged, in particular silicon-germanium alloy (Si x Gei -x), Germanium (Ge), gallium nitride (GaN) or silicon carbide (SiC) as previously described.
  • FIGS. 5A to 5G show a variation of the manufacturing method previously described and shown in FIG. 4, and more particularly of step d) of structuring the growth layer 20 to obtain a timepiece 1 as represented in FIG. 2, comprising one or more cavities 7.
  • FIG. 5A represents the intermediate state of a timepiece according to the invention at the end of step d) of structuring the growth layer.
  • a new step of depositing a second layer 100 of sacrificial material is carried out here as represented in FIG. 5B. therefore S1O2.
  • This second layer 100 then fills the openings 12 previously structured by etching in the growth layer 20.
  • FIG. 5C a new structuring of the second layer 100 of sacrificial material is carried out, identical to step c) of the method of FIG. 4, to form openings 10, which are then filled as shown in FIG. 5D by a second silicon growth layer 200.
  • the first and the second layer 10, 100 of sacrificial material form between the substrate S, the first growth layer 20 and the second layer of growth 200 a dissolvable sacrificial nucleus that can then dissolve to release the cavities 7 and form the timepiece 1 of Figure 2.
  • fine injection channels 30 are pierced in the second growth layer 200, into which a solution for dissolving the layers 10 and 100 of sacrificial materials, which are evacuated, is then injected. by the same channels 30, to release the cavities 7.
  • the present invention thus provides a new type of micromechanical watch components and timepieces of multi-level structure and incorporating mobile functional elements by flexible deformable links of the flexible blade type and their manufacturing processes.

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Abstract

La présente invention concerne une pièce d'horlogerie micromécanique (1), comportant une pluralité de sous-ensembles fonctionnels (1a, 1b) solidaires et superposés les uns aux autres suivant une direction (Z) pour former un ensemble multi-niveaux, caractérisée en ce que chaque sous-ensemble fonctionnel (1a, 1b) est constitué d'un même matériau semi-conducteur et est solidaire d'un autre sous-ensemble (1a, 1b) par des ponts (5) constitués dudit matériau semiconducteur, et en ce que au moins un dit sous-ensemble (1a, 1b) comporte au moins deux portions (2, 3), lesdites portions étant mobiles l'une par rapport à l'autre et par rapport à un autre sous-ensemble (1a, 1b) duquel au moins une dite portion (2, 3) est solidaire par l'intermédiaire d'au moins une liaison déformable formée de matière entre lesdites portions (2, 3). L'invention concerne par ailleurs un procédé de fabrication d'une telle pièce d'horlogerie.

Description

Description
PIECE D'HORLOGERIE MICROMECANIQUE MULTI-NIVEAUX ET SON PROCEDE
DE FABRICATION
Domaine technique
La présente invention se rapporte au domaine de l'horlogerie. Elle concerne, plus particulièrement, une pièce d'horlogerie micromécanique multi-niveaux comportant des éléments mobiles les uns par rapport aux autres et présentant une structure monolithique. L'invention trouve une application particulière à la réalisation d'oscillateurs et composants de régulateurs pour l'horlogerie.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une telle pièce d'horlogerie micromécanique multi-niveaux.
Etat de la technique Les mécanismes d'horlogerie requièrent la réalisation et la mise en œuvre d'un très grand nombre de pièces de tailles, formes et sections variées, agencées les unes par rapport aux autres au sein des mécanismes pour remplir les différentes fonctions particulières assignées à ces mécanismes, que ce soit le comptage et l'affichage des quantièmes de de temps ou d'autres fonctions annexes. Afin d'améliorer la fiabilité, l'isochronisme et la réserve de marche entre autres les différentes pièces constitutives de tels mécanismes n'ont globalement que peu évoluées dans leurs formes mais ont en revanche considérablement évoluées dans leurs matières constitutives, leurs procédés de fabrication, leurs propriétés mécaniques et physiques et, partant, leurs performances pures et celles de mécanismes les mettant en œuvre.
Des avancées majeures sont intervenues durant ces dix dernières années avec la mise en œuvre de composants horlogers sur base de silicium, fabriqués notamment suivant des techniques issues de l'industrie des micro-technologies des semiconducteurs et de la microélectronique. Des mobiles tels des roues d'échappement mais surtout des ressorts, notamment des spiraux de régulateurs à balancier ont ainsi été proposés largement dans l'état de la technique, ces derniers présentant notamment de meilleurs coefficients de frottement, une plus grande résistance mécanique et une meilleure thermocompensation, améliorant ainsi réserve de marche et isochronisme des mécanismes les incorporant à tout le moins.
Ces mêmes techniques ont également permis la réalisation de microsystèmes ou d'organes fonctionnels intégrés tels des oscillateurs, comportant des éléments mobiles en rotation les uns par rapport aux autres dans un même plan autour d'un axe de pivotement virtuel par le truchement de lames flexibles formées de matière entre les éléments mobiles, comme par exemple décrit dans la demande EP 291 1012 A1 au nom de la demanderesse. Cependant, une limitation de ces composants horlogers à éléments mobiles sur lames flexibles obtenus sur base matériaux semi-conducteurs réside dans leur caractère essentiellement mono-niveau, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent contenir d'éléments mobiles que dans un seul plan de l'espace. Il n'est ainsi pas possible à ce jour de réaliser à partir d'un substrat semi-conducteur une pièce comportant différents sous-ensembles fonctionnels solidaires les uns des autres suivant un ou plusieurs axes de l'espace tout en comportant chacun le cas échéant des éléments fonctionnels mobiles les uns par rapport aux autres.
Des tentatives ont bien été réalisées par assemblage de pièces réalisées dans un premier temps séparément puis jointes par fusion par exemple. Toutefois les composants en résultants sont de moins bonne qualité en raison d'un alignement moins précis des structures formant les différents niveaux ou tout simplement en raison d'une qualité de l'interface de liaison moins maîtrisée.
Par ailleurs ces techniques d'assemblage ne permettent pas non plus d'offrir, ou très difficilement, des structures de composants dont les sous ensembles fonctionnels intègrent des cavités et des espacements entre eux pour conférer différents jeux de mobilités et de fonctionnalités suivant l'axe d'empilement desdits sous-ensembles.
La présente invention a ainsi pour but de résoudre au moins partiellement les défauts des composants horlogers formés à base de matériaux semi-conducteurs pour la réalisation de pièces d'horlogerie et mécanismes d'horlogerie plus robustes et compacts, et comportant moins de composants distincts. Divulguation de l'invention
De façon plus précise, et selon un premier aspect, l'invention concerne une pièce d'horlogerie micromécanique, comportant une pluralité de sous-ensembles fonctionnels solidaires et superposés les uns aux autres suivant une direction pour former un ensemble multi-niveaux, caractérisée en ce que chaque sous-ensemble fonctionnel est constitué d'un même matériau semi-conducteur et est solidaire d'un autre sous- ensemble par des ponts constitués dudit matériau semi-conducteur, et en ce que au moins un dit sous-ensemble comporte au moins deux portions distinctes, lesdites portions étant mobiles l'une par rapport à l'autre et par rapport à un autre sous- ensemble duquel au moins une dite portion est solidaire, par l'intermédiaire d'au moins une liaison déformable formée de matière entre lesdites portions.
De façon avantageuse, lesdits sous-ensembles, leurs portions, les ponts et liaison(s) déformable(s) forment une pièce monolithique.
Dans une forme de réalisation privilégiée, lesdits sous-ensembles et ponts sont constitués de silicium (Si), d'alliage de silicium-germanium (SixGei-x), de germanium (Ge), de nitrure de gallium (GaN), ou de carbure de silicium (SiC).
Dans une forme particulière de réalisation, lesdits sous-ensembles et ponts sont constitués de silicium polycristallin ou amorphe.
Dans une forme de réalisation, lesdits sous-ensembles et ponts ou parties d'entre eux sont constitués de silicium dopé, notamment afin de rendre celui-ci conducteur et/ou pour améliorer ses propriétés de thermocompensation.
De façon avantageuse, lesdits sous-ensembles et ponts ou parties d'entre eux peuvent en outre être revêtus d'une couche de fonctionnalisation, notamment une couche de thermocompensation, à base de dioxyde de silicium (S1O2) par exemple, une couche amortissante ou une couche de protection . Pour former ces couches de protection des matériaux polymères tel que le parylène ou une monocouche de silanes procurent des performances avantageuses.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention lesdits sous-ensembles sont espacés les uns des autres d'une distance comprise entre 0.1 et 20 microns, de préférence entre 0.5 et 10 microns, par les ponts dans la direction (Z). De façon avantageuse encore, les liaisons déformables sont constituées de lames flexibles dont l'épaisseur, mesurée dans un plan perpendiculaire à la direction (Z) est comprise entre 2 et 50 microns.
Avantageusement, lesdites portions d'un dit sous ensemble sont mobiles en rotation autour d'un axe de rotation virtuel ou en translation dans un plan perpendiculaire à la direction (Z).
Dans un mode de réalisation particulier en outre, au moins deux dits sous- ensembles directement superposés suivant la direction (Z) forment une structure gigogne, c'est-à-dire composée de membres solidaires desdits sous-ensembles et imbriqués les uns dans les autres avec jeu, notamment afin de procurer un dispositif de limitation de mouvement (butée, prévention des chocs) et/ou de guidage et/ou pour procurer un auto-alignement suivant la direction (Z) entre deux sous-ensembles.
De façon avantageuse, la structure gigogne peut comporter des membres inter- digités, c'est-à-dire dotés de doigts, s'étendant depuis une base dans des sens opposés suivant des directions parallèles à la direction (Z), par exemple pour limiter la course latérale perpendiculairement à la direction (Z) desdits sous-ensembles l'un par rapport à l'autre.
Conformément à un second objet, la présente invention se rapporte par ailleurs à un procédé de fabrication d'une pièce d'horlogerie telle que précédemment définie. Ainsi, ce procédé comporte essentiellement les étapes successives suivantes : a. Procurer un substrat d'un matériau semi-conducteur, le dit substrat comprenant de préférence des marquages d'alignement sur une première face, b. Déposer sur une seconde face du substrat une couche de matériau sacrificiel de hauteur h déterminée et homogène sur toute la superficie de la seconde face du substrat ; c. Structurer la couche de matériau sacrificiel par un procédé de gravure pour former dans celui-ci des ouvertures sur toute sa hauteur h ; d. Déposer une couche de croissance d'un matériau semi-conducteur de même nature que le substrat sur la couche de matériau sacrificiel de manière à remplir les ouvertures préalablement formées et recouvrir intégralement celui-ci, e. Structurer la couche de croissance par un procédé de gravure profonde pour former un premier sous-ensemble fonctionnel comportant des portions mobiles les unes par rapport aux autres et par rapport au substrat par l'intermédiaire d'une liaison déformable au moins ; f. Structurer le substrat de matériau semi-conducteur par un procédé de gravure profonde former un second sous-ensemble fonctionnel comportant des portions mobiles les unes par rapport aux autres et par rapport à la couche de croissance par l'intermédiaire d'une liaison déformable au moins ; g. Retirer la couche de matériau sacrificiel entre le substrat et la couche de croissance pour former des ponts de liaison entre lesdits sous-ensembles et libérer ladite pièce d'horlogerie. Suivant diverses caractéristiques du procédé de l'invention :
- les étapes e) et f) comportent la mise en œuvre d'un procédé de gravure ionique réactive ;
- le substrat et la couche de croissance sont formés d'un même matériau semi-conducteur, notamment de silicium (Si), d'alliage de silicium- germanium (SixGei-x), de germanium (Ge), de nitrure de gallium (GaN), ou de carbure de silicium (SiC)
- le substrat et la couche de croissance sont formés d'un même matériau semi-conducteur dopé.
- la couche de croissance est formée par croissance de silicium sur le substrat dans les ouvertures formées dans la couche de matériau sacrificiel et sur sa surface qui, dans le cas du silicium comme couche de croissance, pourrait être avantageusement du SiO2.
- Il comporte une étape de revêtement des sous-ensembles ou d'une partie d'entre eux par une couche de fonctionnalisation. - on répète les étapes b) à e) n fois, n étant un nombre entier compris entre 1 et 5, avant ou après l'étape f).
- on reproduit les étapes b) à e) n fois, n étant un nombre entier compris entre 1 et 5, sur les deux faces du substrat. - on réalise une étape intermédiaire d'aplanissement de chaque couche de croissance entre les étapes d) et e), notamment par polissage.
Brève description des dessins
D'autres détails de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- La figure 1 représente une section dans un plan vertical d'une pièce d'horlogerie selon l'invention,
- Les figures 2 et 3 représentent deux variantes de réalisation d'une pièce d'horlogerie selon l'invention, - La figure 4 représente les étapes du procédé de fabrication de la pièce d'horlogerie de la figure 1 ,
- La figure 5 représente une variante du procédé de fabrication d'une pièce d'horlogerie de la figure 4.
Modes de réalisation de l'invention
La présente invention propose un nouveau type de composants horlogers de structure multi-niveaux, c'est-à-dire comportant une pluralité d' « étages » fonctionnels solidaires les uns des autres, ces dits étages fonctionnels intégrant des éléments mobiles par rapport aux autres étages. Entre-autres exemples de tels composants horloger on peut citer notamment des bascules ou sautoirs, en encore de façon principale des oscillateurs pour organes réglant. La figure 1 représente, vue en coupe suivant un plan vertical X-Z, défini dans un repère orthonormé Χ,Υ, Z, un premier exemple de réalisation d'une pièce d'horlogerie 1 conforme à la présente invention telle que définie dans les revendications.
La pièce d'horlogerie 1 de l'invention forme un composant horloger de structure monolithique obtenu par des procédés de gravure d'un unique matériau semiconducteur comme il sera par la suite décrit en référence aux figures 3 à 6.
La pièce d'horlogerie 1 comporte dans l'exemple représenté deux sous- ensembles fonctionnels 1 a, 1 b solidaires entre eux et superposés l'un à l'autre suivant la direction Z par des ponts 5 formés de matière entre les sous-ensembles 1a, 1 b pour former un composant multi-niveaux suivant cette direction au moins.
Chaque sous-ensemble fonctionnel 1 a, 1 b et les ponts 5 sont ainsi constitués du même matériau semi-conducteur et les sous-ensembles 1a, 1 b sont espacés les uns des autres d'une distance comprise entre 0.1 et 20 microns, de préférence entre 0.5 et 10 microns, par les ponts 5 dans la direction Z. De manière inventive selon la présente invention, au moins un des sous- ensemble 1 a, 1 b est composé d'au moins deux portions distinctes 2, 3 dont l'une, sur les figures la portion 3, est mobile par l'intermédiaire d'au moins une liaison déformable (non représentée sur les figures) par rapport à l'autre portion, sur les figures la portion 2, qui elle est solidaire d'au moins une dite portion 2, 3 de l'autre sous-ensemble 1 a, 1 b. La liaison déformable est avantageusement formée de matière entre lesdites portions 2, 3 lors de la gravure de la pièce d'horlogerie, est prend notamment la forme d'une ou plusieurs lame(s) flexible(s) dont l'épaisseur, mesurée dans un plan perpendiculaire à la direction Z est comprise entre 2 et 50 microns de préférence.
Ainsi, les sous-ensembles 1 a, 1 b sont décalés et séparés d'un espace 4 suivant la direction Z l'un de l'autre de telle sorte que les portions mobiles 3 de chaque sous- ensemble 1 a, 1 b puisse se déplacer sans frottement dans des plans parallèles au plan X-Y, perpendiculairement à la direction Z. Ainsi il est possible avantageusement par le biais de ce jeu inter-niveau mais également du positionnement et/ou du nombre de liaisons déformables ménagées entre les portions 2, 3 des sous-ensembles 1 a, 1 b d'organiser une mobilité desdites portions et sous-ensembles en rotation autour d'un axe de rotation virtuel parallèle à l'axe Z donc là aussi sans frottement autour dudit axe virtuel, ou encore en translation dans un plan perpendiculaire à l'axe Z, par exemple par le biais de lames flexibles parallèles entre les portions 2 , 3.
Les figures 2 et 3 représentent des formes de réalisation alternatives d'une pièce d'horlogerie selon l'invention. La figure 2 représente ainsi une pièce d'horlogerie 1 selon l'invention dans laquelle des cavités 7 sont aménagées et au sein desquelles les portions mobiles 3 d'un dit sous-ensemble 1 b sont aptes à se déplacer. Un tel mode de réalisation présente ainsi l'avantage de procurer un micromécanisme, en l'espèce le sous- ensemble 1 b au moins, intégré, ou encapsulé, entre deux niveaux, ici constitués par des sous-ensembles inférieur 1a et supérieur 1 c. La pièce d'horlogerie 1 ainsi constituée est extrêmement robuste et protégée des perturbations exogènes telles que poussières ou autres qui pourrait venir s'insérer autrement entre les portions 2, 3 de la pièce et ses sous-ensembles 1 a, 1 b.
La figure 3 quant à elle représente une autre variante de réalisation dans laquelle la pièce d'horlogerie 1 comporte une cavité 7 ménagée entre deux ensembles 1 a, 1 b superposés suivant la direction Z et forment une structure gigogne composée de membres 8, 9 imbriqués les uns dans les autres avec jeu selon la direction Z, un desdits membres 8, 9 au moins étant également une portion mobile 2, 3 d'un sous- ensemble 1 a, 1 b. Ces membres imbriqués 8, 9 permettent avantageusement de réaliser une structure de butée interne à la pièce d'horlogerie 1 , permettant ainsi de limiter les déplacements et d'absorber les chocs des portions mobiles 2, 3 dans des plans perpendiculaires à l'axe Z, voire de procurer un guidage de mouvement selon la configuration particulières desdits membres 8, 9. Ce derniers peuvent notamment prendre la forme de doigts ou de peignes s'étendant depuis un sous-ensemble 1 a, 1 b vers l'autre sous-ensemble en sens opposé et sans contact avec ceux-ci. Ils peuvent également prendre toute autre forme adaptée en fonction des besoins, pour autant que lesdits membres puissent s'imbriquer les uns dans les autres suivant l'axe Z. Selon les différentes formes de réalisation préférées de la pièce d'horlogerie 1 de l'invention précédemment décrite, le matériau semi-conducteur constitutif de la pièce d'horlogerie 1 et de tous ses éléments fonctionnels (sous-ensemble 1a, 1 b, ponts 5, lames flexibles) est du silicium polycristallin.
Toutefois, du silicium amorphe peut également être employé, de même que d'autres matériaux semi-conducteurs habituellement employés dans les domaines de la microélectronique notamment tels des alliages de silicium-germanium (SixGei-x), de germanium (Ge), de nitrure de gallium (GaN), ou de carbure de silicium (SiC).
La pièce d'horlogerie 1 de l'invention permet pour la première fois la conception et la réalisation de composants micromécaniques horlogers, et notamment d'oscillateurs, dotés d'une structure monolithique étagée et intégrant des portions mobiles 3 par le biais de liaisons déformables réalisées dans la masse de la pièce d'horlogerie 1 et des différents sous-ensembles 1a, 1 b formant les niveaux ou étages de celle-ci. Une telle structure monolithique de la pièce d'horlogerie 1 de l'invention procure un alignement structurel optimal des différents sous-ensembles 1 a, 1 b suivant l'axe Z de superposition desdits sous-ensembles 1 a, 1 b, qui correspond comme cela ressortira par la suite à l'axe de croissance de la matière constitutive de la pièce d'horlogerie. La résistance mécanique intrinsèque de la pièce d'horlogerie 1 de l'invention et de ses différents sous-ensembles 1 a, 1 b et portions 2, 3 est ainsi fortement améliorée, de même que la précision des jeux de mobilités entre portions mobiles, et donc la précision et fiabilité de la pièce d'horlogerie 1 par rapport aux composants horlogers analogues obtenus par assemblage des différents sous- ensembles, notamment par de complexes techniques de collage ou d'hybridation de surface à partir de composants issus de wafers de silicium sur isolant (ou SOI pour silicium on insulator en anglais).
De plus, la pièce d'horlogerie de l'invention étant formée d'un matériau unique sans assemblage celle-ci présente également un coefficient thermique d'expansion (CTE) homogène sur toute la pièce, ce qui permet une plus grande stabilité et réponse thermique de celle-ci, donc un meilleure isochronisme potentiel d'un organe réglant intégrant une telle pièce d'horlogerie.
Une optimisation du coefficient thermique d'expansion est également possible par ailleurs en privilégiant comme matériau constitutif de la pièce d'horlogerie l'utilisation d'un silicium dopé, notamment un dopage de type n. Un tel dopage peut en outre procurer si nécessaire un caractère conducteur au silicium formant la pièce d'horlogerie de l'invention. Il est par ailleurs possible d'optimiser le coefficient d'expansion thermique global de la pièce d'horlogerie de l'invention par traitement des sous-ensembles 1 a, 1 b et ponts 5 ou parties d'entre eux d'une couche de fonctionnalisation telle qu'une couche de thermocompensation, par exemple d'oxyde de silicium dans le cas d'un micromécanisme en silicium.
La mise en œuvre d'une couche de fonctionnalisation sur les sous-ensembles 1a, 1 b et ponts 5 ou parties d'entre eux ne se limite bien entendu pas uniquement à l'ajustement des propriétés thermique de la pièce d'horlogerie 1 de l'invention mais peut également être utile à toute autre amélioration fonctionnelle des propriétés propres du matériau constitutif de la pièce d'horlogerie 1 ou de ses performances dans le temps. On peut ainsi en particulier envisager un revêtement des sous-ensembles 1 a, 1 b et des portions mobiles 3 de ceux-ci par une couche amortissante ou une couche de protection tel qu'une couche de prévention contre la corrosion, une couche de matière hydrophobe, une couche formant barrière chimique ou une couche tribologique. La pièce d'horlogerie 1 de la présente invention dans sa forme générale représentée à la figure 1 peut être obtenue par la mise en œuvre d'un procédé de fabrication mettant en œuvre des techniques de fabrications issues des microsystèmes de types MEMS (pour micro electromechanical Systems en anglais). Ce procédé est représenté en détail aux figures 4A à 4G et décrit ci-après. Comme représenté à la figure 4A, on procure tout d'abord dans une première étape (a) un substrat S de silicium doté sur une première face S1 de marquages d'alignement 6 adaptés pour positionner le substrat sur un support dans une position de référence à partir de laquelle le substrat va être structuré par étapes successives.
Dans une seconde étape (b) on vient ensuite déposer sur une seconde face S2 opposée à la première du substrat une couche 10 de matériau sacrificiel, par exemple de préférence du dioxyde de silicium, sur toute la superficie de la seconde face S2 du substrat S.
On vient ensuite dans une troisième étape (c) représentée à la figure 2B structurer la couche de matériau sacrificiel 10 par un procédé de gravure profonde pour former dans celui-ci des ouvertures 1 1 sur toute sa hauteur. Le procédé de gravure peut être de diverse nature mais les procédés de gravure ionique réactive, plus connus sous l'acronyme RIE pour « Reactive Ion Etching » en anglais, sont privilégiés.
La couche 10 sacrificielle ainsi structurée on vient ensuite déposer sur celle-ci une couche de croissance 20 en silicium dans une quatrième étape (d). Cette couche de silicium 20, chimiquement identique au substrat S remplit ainsi lors de son dépôt les ouvertures 1 1 préalablement formées dans la couche de matériau sacrificiel 10 et recouvrir intégralement celle-ci (fig. 4C). On réalise ainsi des piliers ou plots de liaison entre le substrat S et la couche de croissance 20 par croissance de silicium sur la couche 10 de matériau sacrificiel. Optionnellement, on pourra prévoir après les étapes b) et/ou d) une étape intermédiaire d'aplanissement de la surface desdites couche de matériau sacrificiel 10 et couche de croissance 20, notamment par polissage ou meulage. Une telle étape d'aplanissement permet de garantir un état de surface parfaitement plan pour la croissance de la couche de croissance 20 et/ou de toute autre couche additionnelle. Les deux étapes suivantes (e, f) consistent alors à structurer la couche de croissance 20 d'une part (Fig. 4D) et le substrat S d'autre part (Fig. 4E), là encore par un procédé de gravure profonde de type DRIE (pour Deep Reactive Ion Etching en anglais), pour y former des ouvertures 12 délimitant des dites portions 2, 3 d'un premier et un second sous-ensemble 1a, 1 b, une portion 3 étant mobile par rapport à l'autre par l'intermédiaire d'une liaison déformable au moins. La formation des portions 2, 3 résulte alors intégralement du masque définissant la configuration particulière choisie par design par le ou les concepteurs pour la pièce d'horlogerie 1.
Pour finaliser la pièce il convient enfin, comme représenté à la figure 4F de retirer (g) la couche de matériau sacrificiel 10 entre le substrat S et la couche de croissance 20 préalablement structurés pour former les ponts 5 de liaison entre lesdits sous- ensembles 1 a, 1 b, ainsi le cas échéant que des liaisons intermédiaires (non représentées sur la figure 4) entre les pièces individuelles ainsi formées.
Pour finir on libère la ou les dite(s) pièce(s) d'horlogerie 1 ainsi formées dans le substrat S, le cas échéant par rupture des liaisons intermédiaires à l'aide de tout outil approprié. Comme il ressort de la description qui précède, le procédé de l'invention ne comporte aucun usinage et la formation des sous-ensembles 1 a, 1 b de la pièce d'horlogerie de l'invention résulte essentiellement de techniques de croissance, de méthode de photolithographie et de gravure ce qui permet d'assurer un alignement optimal des sous-ensembles 1 a, 1 b et de leurs éléments mobiles 3,4 en fonction du design souhaité, sans application de contraintes mécaniques externes dans la matière constitutive de la pièce. Il n'est de plus aucunement nécessaire d'assembler des éléments entre eux, contrairement aux procédés connus de l'art antérieur pour réaliser des pièces micromécaniques multi-niveaux, ce qui garantit l'absence de surfaces ou d'interfaces fragiles entre les sous-ensembles 1 a, 1 b et entre les portions desdits sous- ensembles, notamment au niveau des portions mobiles 3.
La mise en œuvre d'une structuration du substrat S, de la couche 10 de matière sacrificielle et de la couche de croissance 20 par des procédés de gravure permet en outre une très bonne maîtrise dimensionnelle des pièces formées et de leurs éléments fonctionnels, notamment des liaisons déformables entre les portions 2, 3, ainsi que de leur géométrie, et ce malgré leurs dimensions très réduites de quelques dixièmes de millimètres à quelques millimètres à peine. On assure ainsi une meilleure reproductibilité de fabrication ainsi qu'une meilleure qualité intrinsèque et extrinsèque des pièces d'horlogerie 1 ainsi produites. Le retrait de la couche sacrificielle 10 de dioxyde de silicium, dans le cas de l'utilisation de silicium comme matériau structurel, avant libération des pièces d'horlogerie 1 peut s'effectuer de manière classique par attaque chimique sur base d'acide fluorhydrique en phase liquide ou gazeuse par exemple.
Par ailleurs, lorsque des liaisons intermédiaires sont ménagées entre plusieurs pièces d'horlogerie 1 formées simultanément à partir d'un substrat S de silicium ces liaison peuvent répondre des principes décrit dans la demande de brevet EP 2794463 A1 de la demanderesse afin de permettre une libération qui génère le moins de contraintes possibles dans lesdites pièces.
Comme précédemment décrit en référence aux figures 1 à 3 le substrat S et la couche de croissance 20 mis en œuvre dans le procédé de l'invention sont constitués d'un même matériau semi-conducteur, de préférence de silicium, polycristallin ou amorphe, le cas échéant dopé. D'autres matériaux semi-conducteurs sont également envisageables, notamment des alliages de silicium-germanium (SixGei-x), de Germanium (Ge), de nitrure de Gallium (GaN), ou de carbure de Silicium (SiC) comme précédemment décrit.
Il est également envisageable de prévoir dans le cadre du procédé inventif une étape de revêtement des sous-ensembles 1 a, 1 b ou d'une partie d'entre eux par une couche de fonctionnalisation.
Par ailleurs bien qu'ayant été décrit et représenté sur les figures pour la réalisation de pièces d'horlogerie 1 composées essentiellement de deux sous- ensembles 1a, 1 b formant deux niveaux fonctionnels il est tout à fait envisageable sans sortir du cadre de l'invention de multiplier le nombre de sous-ensembles au-delà de deux, et ce depuis chaque surface S1 , S2 du substrat de silicium (ou autre matériau semi-conducteur approprié). Pour cela il suffit de répéter les étapes b) à e) n fois, n étant un nombre entier compris entre 1 et 5, avant ou après l'étape f) sur l'une et/ou l'autre des faces du substrat S. Les figures 5A à 5G représentent une variation du procédé de fabrication précédemment décrit et représenté à la figure 4, et plus particulièrement de l'étape d) de structuration de la couche de croissance 20 pour obtenir une pièce d'horlogerie 1 telle que représentée à la figure 2, comportant une ou plusieurs cavités 7.
La figure 5A représente l'état intermédiaire d'une pièce d'horlogerie selon l'invention à la fin de l'étape d) de structuration de la couche de croissance. Au lieu de procéder à la structuration du substrat S comme dans le procédé de la figure 4 on réalise ici comme représenté à la figure 5B une nouvelle étape de dépôt d'une seconde couche 100 de matériau sacrificiel, de préférence le même que le premier et donc de S1O2. Cette seconde couche 100 remplit alors les ouvertures 12 préalablement structurées par gravure dans la couche de croissance 20.
On réalise ensuite à la figure 5C une nouvelle structuration de la seconde couche 100 de matériau sacrificiel, de manière identique à l'étape c) du procédé de la figure 4 pour y former des ouvertures 1 10, que l'on remplit ensuite comme représenté à la figure 5D par une seconde couche de croissance de silicium 200. Ainsi, la première et la seconde couche 10, 100 de matériau sacrificiel forment entre le substrat S, la première couche de croissance 20 et la seconde couche de croissance 200 un noyau sacrificiel dissoluble que l'on peut ensuite dissoudre pour libérer les cavités 7 et former la pièce d'horlogerie 1 de la figure 2.
Pour cela, comme représenté aux figures 5E et 5F, on perce de fins canaux d'injection 30 dans la seconde couche de croissance 200, dans lesquels on injecte ensuite une solution de dissolution des couches 10 et 100 de matériaux sacrificiels, lesquelles s'évacuent par les mêmes canaux 30, pour libérer les cavités 7.
Une fois les cavités 7 libérées on peut réaliser une dernière étape de croissance de silicium par une couche de couverture 300 qui vient boucher les canaux 30 et sceller la pièce d'horlogerie 1 ainsi constituée, assurant une parfaite protection des portions mobiles internes.
Il convient par ailleurs de noter que le procédé de la figure 5 permet également de réaliser des pièces d'horlogerie dotée de structures gigognes comme représenté à la figure 3 et précédemment décrit.
La présente invention procure ainsi un nouveau type de composants horlogers et pièces d'horlogerie micromécaniques de structure multi-niveaux et incorporant des éléments fonctionnels mobiles par des liaisons déformables de type lames flexibles et leurs procédés de fabrication.

Claims

Revendications
1. Pièce d'horlogerie micromécanique (1 ), comportant une pluralité de sous- ensembles fonctionnels (1 a, 1 b) solidaires et superposés les uns aux autres suivant une direction (Z) pour former un ensemble multi-niveaux, caractérisée en ce que chaque sous-ensemble fonctionnel (1 a, 1 b) est constitué d'un même matériau semi-conducteur et est solidaire d'un autre sous-ensemble (1 a, 1 b) par des ponts (5) constitués dudit matériau semi-conducteur, et en ce que au moins un sous-ensemble (1a, 1 b) comporte au moins deux portions (2, 3), lesdites portions étant mobiles l'une par rapport à l'autre et par rapport à un autre sous- ensemble (1 a, 1 b) duquel au moins une dite portion (2, 3) est solidaire, par l'intermédiaire d'au moins une liaison déformable formée de matière entre lesdites portions (2, 3).
2. Pièce d'horlogerie selon la revendication 1 , caractérisée en ce lesdits sous- ensembles (1 a, 1 b), leurs portions (2, 3), les ponts (5) et liaison(s) déformable(s) forment une pièce monolithique.
3. Pièce d'horlogerie selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits sous-ensembles (1 a, 1 b) et ponts (5) sont constitués de silicium (Si)
4. Pièce d'horlogerie selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdits sous-ensembles et ponts sont constitués de silicium polycristallin ou amorphe.
5. Pièce d'horlogerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits sous-ensembles (1 a, 1 b) et ponts (5) ou parties d'entre eux sont constitués de silicium dopé.
6. Pièce d'horlogerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits sous-ensembles (1 a, 1 b) et ponts (5) ou parties d'entre eux sont revêtus d'une couche de fonctionnalisation, notamment une couche de thermocompensation, une couche amortissante ou une couche de protection.
7. Pièce d'horlogerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une cavité (7) aménagées entre lesdits sous-ensembles (1 a, 1 b).
8. Pièce d'horlogerie selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les liaisons déformables sont constituées de lames flexibles dont l'épaisseur, mesurée dans un plan perpendiculaire à la direction (Z) est comprise entre 2 et 50 microns.
9. Pièce d'horlogerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdites portions (2, 3) d'un dit sous-ensemble (1a, 1 b) sont mobiles en rotation autour d'un axe de rotation virtuel ou en translation dans un plan perpendiculaire à l'axe (Z).
10. Pièce d'horlogerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'au moins deux dits sous-ensembles (1 a, 1 b) directement superposés suivant la direction (Z) forment une structure gigogne composée de membres imbriqués les uns dans les autres avec jeu selon la direction (Z) t, de manière à limiter et/ou guider les mouvements des portions mobiles desdits sous- ensembles suivant des directions parallèles à la direction (Z).
. Procédé de fabrication d'une pièce d'horlogerie selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'il comporte les étapes successives suivantes :
a Procurer un substrat (2) d'un matériau semi-conducteur, le dit substrat comprenant de préférence des marquages d'alignement (6) sur une première face et
b Déposer sur une seconde face du substrat une couche (10) de matériau sacrificiel de hauteur h déterminée et homogène sur toute la superficie de la seconde face du substrat ;
c Structurer la couche de matériau sacrificiel (10) par un procédé de gravure pour former dans celui-ci des ouvertures (1 1 ) sur toute sa hauteur h ;
d Déposer une couche de croissance (20) d'un matériau semi-conducteur sur la couche de matériau sacrificiel (10) de manière à remplir les ouvertures
(1 1 ) préalablement formées et recouvrir intégralement celui- ci
e Structurer la couche de croissance (20) par un procédé de gravure pour former un premier sous-ensemble (1 b) fonctionnel comportant des portions (3, 4) mobiles les unes par rapport aux autres et par rapport au substrat (2) par l'intermédiaire d'une liaison déformable au moins ;
f. Structurer le substrat (2) de matériau semi-conducteur par un procédé de gravure pour former un second sous-ensemble (1 a) fonctionnel comportant des portions mobiles (3, 4) les unes par rapport aux autres et par rapport à la couche de croissance par l'intermédiaire d'une liaison déformable au moins ;
g. Retirer la couche de matériau sacrificiel (10) entre le substrat (2) et la couche de croissance (20) pour former des ponts (5) de liaisons entre lesdits sous-ensembles (1 a, 1 b) et libérer ladite pièce d'horlogerie.
12. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les étapes e) et f) comportent la mise en œuvre d'un procédé de gravure ionique réactive.
13. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'aplanissement de surface après les étapes b) et/ou d).
14. Procédé selon l'une des revendications 1 1 à 13, caractérisé en ce que le substrat (2) et la couche de croissance (20) sont formés d'un même matériau semiconducteur, notamment de silicium (Si)
15. Procédé selon l'une des revendications 1 1 à 14, caractérisé en ce que le substrat (2) et la couche de croissance (20) sont formés d'un même matériau semi- conducteur dopé.
16. Procédé selon l'une des revendications 1 1 à 15, caractérisé en ce la couche de croissance (20) est formée par croissance de silicium sur le substrat (2) dans les ouvertures (1 1 ) formées dans la couche de matériau sacrificiel (10).
17. Procédé selon l'une des revendications 1 1 à 16, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de revêtement des sous-ensembles (1 a, 1 b) ou d'une partie d'entre eux par une couche de fonctionnalisation.
18. Procédé selon l'une des revendications 1 1 à 17, caractérisé en ce qu'on répète les étapes b) à e) n fois, n étant un nombre entier compris entre 1 et 5, avant ou après l'étape f).
19. Procédé selon l'une des revendications 1 1 à 18, caractérisé en ce que l'on reproduit les étapes b) à e) n fois, n étant un nombre entier compris entre 1 et 5, sur les deux faces du substrat (2).
20. Mouvement horloger comportant une pièce d'horlogerie conforme à l'une des revendications 1 à 10.
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