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1. Introduzione
Il silicio e la sua tecnica di realizzazione tramite incisione profonda (DRIE) sono apparsi nell’orologeria già nel 2001. Le proprietà del silicio offrono numerosi vantaggi e ne fanno un materiale apprezzato, in particolare per la fabbricazione degli scappamenti e degli spirali.
l’elasticità del silicio è vicina a quella dell’acciaio con un modulo di Young compreso tra 130 e 185 GPa. È amagnetico e tre volte più leggero dell’acciaio. Sono proprietà particolarmente vantaggiose per la progettazione di scappamenti, spirali e gabbie di tourbillon. A causa della sua grande durezza, nessun trattamento termico (tempra, rinvenimento, ecc.) è necessario. Permette di svolgere pienamente le funzioni dello scappamento e i contatti di attrito (ruota di scappamento – leve in particolare) non necessitano di lubrificazione.
Come per la tecnologia di elettroformatura (UV-LIGA), il metodo di incisione DRIE inizia con una fase fotolitografica che offre le stesse libertà di progettazione, permettendo in particolare di alleggerire i componenti al massimo senza comprometterne la rigidità. La fabbricazione di componenti in silicio consiste quindi in un processo suddiviso in diverse fasi:
2. Progettazione del componente
La tecnologia DRIE permette di ottenere profili di componenti impossibili da realizzare con altri metodi di fabbricazione. Ad esempio, una ruota di scappamento potrà essere traforata secondo una struttura definita per ridurne al massimo il peso senza indebolirne la rigidità. È quindi importante conoscere bene questa tecnologia per poter integrarne i benefici fin dalla progettazione del componente.
3. Creazione del fotomaschera
I contorni del profilo del componente da produrre vengono stampati in scala 1 su una lastra di vetro. Vi si riproduce il componente da fabbricare il maggior numero di volte possibile sulla superficie del fotomaschera. La luce (gli UV) potrà così passare solo all’esterno del contorno dei componenti da produrre.
4. Fabbricazione del wafer
Il wafer è costituito da un disco di silicio con uno spessore corrispondente a quello dei componenti da fabbricare. Si applica uno strato di resina fotosensibile sulla superficie di questo disco.
5. Irradiazione del wafer
Questa fase consiste nel sovrapporre il fotomaschera al wafer e nell’irradiare la sua superficie con raggi UV. Naturalmente, grazie al filtro costituito dal fotomaschera, solo i contorni dei componenti da produrre saranno protetti dai raggi UV. La resina esposta ai raggi UV si indurirà per polimerizzazione e non potrà essere dissolta durante la fase successiva.
6. Sviluppo
Dopo essere stato esposto ai raggi UV, il wafer viene immerso in un bagno che permette di dissolvere, con una precisione estrema, le superfici del wafer non esposte ai raggi UV, cioè il contorno preciso dei componenti da produrre. Con questa operazione si ottengono tanti profili del componente da produrre quanti la superficie del wafer può accoglierne. A questo punto, il wafer è terminato, così come la parte litografica del procedimento.
7. Incisione (DRIE) del wafer
Il wafer è ora pronto per essere inciso. Questa operazione richiede un ambiente pulito e viene effettuata in camera bianca. Il wafer viene disposto in una camera sotto vuoto dove verrà effettuata l’incisione. Diversi gas a base di fluoro sotto forma di plasma incidono e proteggono successivamente le superfici e i fianchi del silicio così tagliato tramite passivazione. Questo attacco chimico permette di tagliare componenti con uno spessore compreso tra alcuni micron e diversi millimetri con una precisione di alcuni micron.
8. Ossidazione superficiale
Una volta inciso il wafer, si procede a un’ossidazione termica del silicio a 1200 °C. Si forma quindi uno strato di diossido di silicio per crescita. Il diossido di silicio è trasparente. Il suo spessore (che può arrivare fino a 3 mm) influenzerà, per diffrazione, il colore del componente. Questo trattamento superficiale protegge in modo omogeneo il componente e ne migliora la durezza nonché le proprietà tribologiche (rugosità, coefficiente di attrito, ecc.).
9. Recupero dei componenti
Una volta terminata l’incisione, la resina viene dissolta e i componenti tagliati non devono far altro che essere recuperati. Prive di qualsiasi traccia di lavorazione, le superfici generalmente non richiedono alcun trattamento successivo.
La tecnologia DRIE e il silicio presentano numerosi vantaggi rispetto ai metodi tradizionali di produzione dei componenti e ai materiali finora abituali, e permettono incisioni a due livelli. Il design e la tecnicità dei componenti ne hanno immediatamente beneficiato. Grazie al livello di precisione offerto da questo metodo e all’assenza di sollecitazione meccanica durante la fabbricazione del componente, i limiti in termini di tecnicità e design vengono magistralmente superati.
Sebbene il procedimento richieda diverse fasi, la sua realizzazione è rapida e il suo costo è controllato. I componenti realizzati con questo procedimento sono sempre perfettamente identici e conformi al disegno originale. La precisione è dell’ordine di alcuni micron e, in totale assenza di utensili, è possibile ottenere tolleranze rigorosamente ristrette.
Grazie a questa precisione e all’assenza di utensili da taglio, le finiture superficiali non richiedono, nella maggior parte dei casi, alcun trattamento. Un vantaggio importante, in particolare quando si tratta di ingranaggi, poiché gli attriti sono ridotti al minimo grazie alla qualità delle superfici ottenute con questa tecnologia.
Questi numerosi vantaggi ne hanno fatto rapidamente una tecnologia imprescindibile, ampiamente utilizzata, in particolare per la fabbricazione di scappamenti e di spirali. Ha veramente liberato la creatività dei progettisti e migliorato le prestazioni degli orologi. Così la tecnologia DRIE e la comparsa del Silicio costituiscono certamente una delle evoluzioni principali di quest’ultimo secolo.
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