LA FABRICATION DE COMPOSANTS EN SILICIUM PAR GRAVURE IONIQUE REACTIVE PROFONDE (DRIE)

Le silicium et sa technique de mise en œuvre par gravure profonde (DRIE) sont apparus dans l’horlogerie dès 2006. Les propriétés du silicium offrent de nombreux avantages et en font un matériau apprécié dans la fabrication des échappements et des spiraux en particulier.

L’élasticité du silicium est proche de l’acier avec un module de Young compris entre 130 et 185GPa. Il est amagnétique et trois plus léger que l’acier. Ce sont là des propriétés particulièrement avantageuses en termes de conception d’échappements, de spiraux et de cages de tourbillon. Par 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 frottements (roue d’échappement – levées notamment) ne nécessitent pas de lubrification.

A l’instar de la technologie d’électroformage (UV-LIGA), la méthode de gravure DRIE débute par une étape photo-lithographique qui offre les mêmes libertés de design permettant notamment d’alléger les composants à l’extrême sans en affecter leur rigidité. La fabrication de composants en silicium consiste ainsi en un procédé séquencé en différentes étapes :

1. Conception du composant 

 La technologie DRIE autorise des profils de composants impossibles à obtenir par les autres méthodes de fabrication. Par exemple, une roue d’échappement pourra être ajourée selon une structure définie pour l’alléger au maximum sans en affaiblir la rigidité. Il est donc important de bien connaitre cette technologie afin de pouvoir en intégrer les bénéfices dès la conception du composant.

2. 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 qu’il est possible de le faire sur la surface du photomasque. La lumière (les UV) ne pourra ainsi passer qu’à l’extérieur du contour des composants à produire.

3. Fabrication du wafer

 Le wafer se constitue d’un disque de silicium de l’épaisseur des composants à fabriquer. On applique à la surface de ce disque une couche de résine photosensible.

4. Irradiation du wafer

Cette étape consiste à superposer le photomasque au wafer et à irradier en rayons UV la surface de ce dernier. Bien sûr, par le 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.

5. 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, soit le contour précis des composants à produire. On obtient par cette opération autant de profiles du composant à produire que la surface du wafer peut en accueillir. A ce stade, le wafer est terminé de même que la partie lithographie du procédé.

6. Gravure (DRIE) du wafer

Le wafer est maintenant prêt à être gravé. Cette opération nécessite un environnement propre et est réalisée en salle blanche. Le wafer est disposé dans une chambre sous-vide ou sera réalisée la gravure. 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.

7. Récupération des composants

 Une fois la gravure terminée, les composants sont découpés et il n’y a plus qu’à les récupérer. Exempts 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 permet des gravures sur deux niveaux. Le design et la technicité des composants en ont immédiatement profités. Par le niveau de précision qu’offre cette méthode et l’absence de toute 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 maitrisé. Les composants réalisés par ce procédé sont toujours parfaitement identiques et conformes au plan originel. La précision relève de quelques microns, et en l’absence totale d’outillage, on peut atteindre des tolérances rigoureusement serrées.

De cette précision et par l’absence d’outils de coupe, les états de surfaces ne nécessitent, la plupart du temps, aucun traitement. Un atout majeur particulièrement lorsqu‘on connait l’importance du rendement de l’échappement notamment. Ces nombreux avantages en ont rapidement fait une technologie incontournable et très utilisée en particulier pour la fabrication d’échappements et de spiraux. Elle a réellement libéré la créativité des concepteurs et les performances des montres. Ainsi la technologie DRIE et l’apparition du silicium constituent certainement l’une des évolutions majeures de ce dernier siècle.