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1. Introduction
Le silicium et sa technique de mise en œuvre par gravure profonde (DRIE) sont apparus dans l’horlogerie dès 2001. Les propriétés du silicium offrent de nombreux avantages et en font un matériau apprécié, notamment pour la fabrication des échappements et des spiraux.
L’élasticité du silicium est proche de celle de l’acier avec un module de Young compris entre 130 et 185 GPa. Il est amagnétique et trois fois plus léger que l’acier. Ce sont des propriétés particulièrement avantageuses pour la conception d’échappements, de spiraux et de cages de tourbillon. En raison de sa grande dureté, aucun traitement thermique (trempe, recuit, etc.) n’est nécessaire. Il permet de remplir pleinement les fonctions de l’échappement et les contacts de frottement (roue d’échappement – levées notamment) ne nécessitent pas de lubrification.
À l’instar de la technologie d’électroformage (UV-LIGA), la méthode de gravure DRIE débute par une étape photolithographique qui offre les mêmes libertés de conception, permettant notamment d’alléger les composants à l’extrême sans en affecter la rigidité. La fabrication de composants en silicium consiste ainsi en un procédé séquencé en différentes étapes :
2. Conception du composant
La technologie DRIE permet d’obtenir des profils de composants impossibles à réaliser par d’autres méthodes de fabrication. Par exemple, une roue d’échappement pourra être ajourée selon une structure définie afin d’en réduire au maximum le poids sans en affaiblir la rigidité. Il est donc important de bien connaître cette technologie afin de pouvoir en intégrer les bénéfices dès la conception du composant.
3. Création du photomasque
Les contours du profil du composant à produire sont imprimés à l’échelle 1 sur une plaque de verre. On y reproduit le composant à fabriquer autant de fois que possible sur la surface du photomasque. La lumière (les UV) ne pourra ainsi passer qu’à l’extérieur du contour des composants à produire.
4. Fabrication du wafer
Le wafer se compose d’un disque de silicium d’une épaisseur correspondant à celle des composants à fabriquer. On applique une couche de résine photosensible sur la surface de ce disque.
5. Irradiation du wafer
Cette étape consiste à superposer le photomasque au wafer et à irradier sa surface par des rayons UV. Bien sûr, grâce au filtre que constitue le photomasque, seuls les contours des composants à produire seront protégés des rayons UV. La résine exposée aux rayons UV durcira par polymérisation et ne pourra pas être dissoute lors de l’étape suivante.
6. Développement
Après avoir été exposé aux rayons UV, le wafer est plongé dans un bain qui permet de dissoudre, avec une précision extrême, les surfaces du wafer n’ayant pas été exposées aux rayons UV, c’est-à-dire le contour précis des composants à produire. On obtient, par cette opération, autant de profils du composant à produire que la surface du wafer peut en accueillir. À ce stade, le wafer est terminé, tout comme la partie lithographique du procédé.
7. Gravure (DRIE) du wafer
Le wafer est maintenant prêt à être gravé. Cette opération nécessite un environnement propre et s’effectue en salle blanche. Le wafer est disposé dans une chambre sous vide où la gravure sera effectuée. Différents gaz à base de fluore sous forme de plasma viennent successivement graver et protéger les surfaces et les flancs du silicium ainsi découpé par passivation. Cette attaque chimique permet de découper des composants d’une épaisseur comprise entre quelques microns et plusieurs millimètres avec une précision de quelques microns.
8. Oxydation de surface
Une fois le wafer gravé, on procède à une oxydation thermique du silicium à 1200 °C. Une couche de dioxyde de silicium se forme alors par croissance. Le dioxyde de silicium est transparent. Son épaisseur (pouvant aller jusqu’à 3 mm) influencera, par diffraction la couleur du composant. Ce traitement de surface protège de manière homogène le composant et en améliore la dureté ainsi que les propriétés tribologiques (rugosité, coefficient de frottement, etc.).
9. Récupération des composants
Une fois la gravure terminée, la résine est dissoute et les composants découpés n’ont plus qu’à être récupérés. Exemptes de toute trace d’usinage, les surfaces ne nécessitent généralement aucun traitement ultérieur.
La technologie DRIE et le silicium présentent de nombreux avantages par rapport aux méthodes traditionnelles de production de composants et aux matériaux jusqu’alors usuels, et permettent des gravures à deux niveaux. Le design et la technicité des composants en ont immédiatement profité. Grâce au niveau de précision qu’offre cette méthode et à l’absence de contrainte mécanique lors de la fabrication du composant, les limites en termes de technicité et de design sont magistralement repoussées.
Bien que le procédé nécessite plusieurs étapes, la mise en œuvre est rapide et son coût maîtrisé. Les composants réalisés par ce procédé sont toujours parfaitement identiques et conformes au plan d’origine. La précision relève de quelques microns et, en l’absence totale d’outillage, on peut atteindre des tolérances rigoureusement serrées.
De par cette précision et par l’absence d’outils de coupe, les états de surface ne nécessitent, la plupart du temps, aucun traitement. Un atout majeur, particulièrement lorsqu’il s’agit d’engrenages, puisque les frottements sont minimisés grâce à la qualité des surfaces obtenues par cette technologie.
Ces nombreux avantages en ont rapidement fait une technologie incontournable, largement utilisée, notamment pour la fabrication d’échappements et de spiraux. Elle a véritablement libéré la créativité des concepteurs et amélioré les performances des montres. Ainsi la technologie DRIE et l’apparition du silicium constituent certainement l’une des évolutions majeures de ce dernier siècle.
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