DIE HERSTELLUNG VON KOMPONENTEN AUS SILIZIUM DURCH TIEFENREAKTIVES IONENÄTZEN (DRIE – Deep Reactive Ion Etching)
Silizium und seine Verarbeitungstechnik durch Tiefenätzung (DRIE) in der Uhrmacherei
Silizium und seine Tiefenätztechnik (DRIE) kamen bereits 2006 in der Uhrmacherei zum Einsatz. Die Eigenschaften von Silizium bieten zahlreiche Vorteile und machen es zu einem geschätzten Material, insbesondere in der Herstellung von Hemmungen und Spiralfedern.
Die Elastizität von Silizium ist ähnlich wie die von Stahl, mit einem Young-Modul von 130 bis 185 GPa. Es ist nicht magnetisch und drei Mal leichter als Stahl. Diese Eigenschaften sind besonders vorteilhaft für das Design von Hemmungen, Spiralfedern und Tourbillonkäfigen. Aufgrund seiner großen Härte ist keine Wärmebehandlung (Härten, Glühen usw.) erforderlich. Silizium erfüllt die Funktionen der Hemmung vollständig, und die Reibkontakte (Hemmungsrad – Anhebungen) benötigen keine Schmierung.
Wie die Elektroformtechnologie (UV-LIGA) beginnt das DRIE-Verfahren mit einem fotolithografischen Schritt, der die gleichen Designfreiheiten bietet und es insbesondere ermöglicht, die Komponenten extrem zu erleichtern, ohne deren Steifigkeit zu beeinträchtigen. Die Herstellung von Siliziumkomponenten erfolgt in einem sequenzierten Verfahren, das mehrere Schritte umfasst:
Design der Komponente
Die DRIE-Technologie ermöglicht die Herstellung von Komponentenprofilen, die mit anderen Fertigungsmethoden nicht realisierbar wären. Zum Beispiel kann ein Hemmungsrad mit einer definierten Struktur durchbrochen werden, um es maximal zu erleichtern, ohne die Steifigkeit zu schwächen. Es ist daher wichtig, diese Technologie zu verstehen, um die Vorteile bereits in der Entwurfsphase der Komponente zu integrieren.
Erstellung der Fotomaske
Die Konturen des zu produzierenden Komponentenprofils werden im Maßstab 1:1 auf eine Glasscheibe gedruckt. Die Komponente wird so oft wie möglich auf der Oberfläche der Fotomaske reproduziert. Licht (UV) kann nur außerhalb der Konturen der zu produzierenden Komponenten hindurchdringen.
Herstellung des Wafers
Der Wafer besteht aus einer Siliziumscheibe in der Dicke der herzustellenden Komponenten. Auf der Oberfläche dieses Wafers wird eine lichtempfindliche Harzschicht aufgetragen.
Bestrahlung des Wafers
Dieser Schritt besteht darin, die Fotomaske auf den Wafer zu legen und die Oberfläche des Wafers mit UV-Strahlen zu bestrahlen. Nur die Konturen der zu produzierenden Komponenten sind durch die Fotomaske vor den UV-Strahlen geschützt. Das Harz, das den UV-Strahlen ausgesetzt ist, wird durch Polymerisation ausgehärtet und kann in der nächsten Phase nicht mehr aufgelöst werden.
Entwicklung
Nach der UV-Bestrahlung wird der Wafer in ein Bad getaucht, das mit extrem hoher Präzision die nicht belichteten Oberflächen des Wafers auflöst, also die genauen Konturen der zu produzierenden Komponenten. Durch diesen Prozess erhält man so viele Profile der Komponente, wie die Oberfläche des Wafers aufnehmen kann. Zu diesem Zeitpunkt ist der Wafer fertig, ebenso wie der lithografische Teil des Verfahrens.
Gravur (DRIE) des Wafers
Der Wafer ist jetzt bereit für die Gravur. Dieser Vorgang erfordert eine saubere Umgebung und wird in einer Reinraumumgebung durchgeführt. Der Wafer wird in eine Vakuumkammer eingelegt, in der die Gravur stattfindet. Verschiedene Fluorgase in Plasmaform ätzen und schützen abwechselnd die Oberflächen und Seiten des Siliziums, das durch Passivierung geschnitten wird. Dieser chemische Ätzvorgang ermöglicht es, Komponenten mit einer Dicke von wenigen Mikrometern bis mehreren Millimetern mit einer Präzision von wenigen Mikrometern zu schneiden.
Oberflächenoxidation
Nachdem der Wafer graviert wurde, erfolgt eine thermische Oxidation des Siliziums bei 1200 °C. Eine Siliziumdioxid-Schicht bildet sich durch Wachstum. Siliziumdioxid ist transparent. Seine Dicke (die bis zu 3 mm betragen kann) beeinflusst durch Beugung die Farbe der Komponente. Diese Oberflächenbehandlung schützt die Komponente gleichmäßig und verbessert deren Härte sowie tribologische Eigenschaften (Rauheit, Reibungskoeffizient usw.).
Rückgewinnung der Komponenten
Nach Abschluss der Gravur wird das Harz aufgelöst und die geschnittenen Komponenten können entnommen werden. Da keine Bearbeitungsspuren vorhanden sind, benötigen die Oberflächen in der Regel keine weitere Behandlung.
Die DRIE-Technologie und Silizium bieten viele Vorteile im Vergleich zu traditionellen Fertigungsmethoden und den bisher üblichen Materialien und ermöglichen Gravuren auf zwei Ebenen. Das Design und die Technik der Komponenten haben sofort profitiert. Durch die Präzision, die diese Methode bietet, und das Fehlen von mechanischen Belastungen bei der Herstellung der Komponente, wurden die Grenzen in Bezug auf Technik und Design meisterhaft verschoben.
Obwohl der Prozess mehrere Schritte erfordert, ist die Umsetzung schnell und die Kosten sind kontrolliert. Die mit diesem Verfahren hergestellten Komponenten sind immer identisch und entsprechen dem ursprünglichen Plan. Die Präzision liegt im Bereich von wenigen Mikrometern, und ohne Werkzeuge lassen sich äußerst enge Toleranzen erreichen.
Dank dieser Präzision und dem Fehlen von Schneidwerkzeugen benötigen die Oberflächen in den meisten Fällen keine weitere Behandlung. Ein großer Vorteil, insbesondere bei Zahnrädern, da die Reibung durch die Qualität der mit dieser Technologie erzielten Oberflächen minimiert wird.
Diese zahlreichen Vorteile haben es schnell zu einer unverzichtbaren und weit verbreiteten Technologie gemacht, insbesondere bei der Herstellung von Hemmungen und Spiralfedern. Sie hat die Kreativität der Designer freigesetzt und die Leistung der Uhren verbessert. Die DRIE-Technologie und das Aufkommen von Silizium stellen daher zweifellos eine der wichtigsten Entwicklungen des letzten Jahrhunderts dar.