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O FABRICO DE COMPONENTES EM SILÍCIO POR GRAVAÇÃO IÓNICA REATIVA PROFUNDA (DRIE – Deep Reactive Ion Etching)

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1. Introdução

O silícioe a sua técnica de execução por gravação profunda (DRIE) surgiram na relojoaria a partir de 2001. As propriedades do silício oferecem numerosas vantagens e fazem dele um material apreciado, nomeadamente para o fabrico dos escapamentos e dos espirais.

a elasticidade do silício é próxima da do aço com um módulo de Young compreendido entre 130 e 185 GPa. É amagnético e três vezes mais leve do que o aço. São propriedades particularmente vantajosas para a conceção de escapamentos, espirais e caixas de tourbillon. Devido à sua grande dureza, nenhum tratamento térmico (têmpera, recozimento, etc.) é necessário. Ele permite desempenhar plenamente as funções do escapamento e os contactos de fricção (roda de escapamento – alavancas nomeadamente) não necessitam de lubrificação.

Tal como a tecnologia de eletroformação (UV-LIGA), o método de gravação DRIE começa com uma etapa fotolitográfica que oferece as mesmas liberdades de conceção, permitindo nomeadamente aligeirar os componentes ao extremo sem afetar a sua rigidez. O fabrico de componentes em silício consiste assim num processo sequenciado em diferentes etapas:

2. Conceção do componente

A tecnologia DRIE permite obter perfis de componentes impossíveis de realizar por outros métodos de fabrico. Por exemplo, uma roda de escapamento poderá ser recortada segundo uma estrutura definida a fim de reduzir ao máximo o peso sem enfraquecer a rigidez. É portanto importante conhecer bem esta tecnologia para poder integrar os seus benefícios desde a conceção do componente.

3. Criação da fotomáscara

Os contornos do perfil do componente a produzir são impressos à escala 1 numa placa de vidro. Reproduz-se o componente a fabricar tantas vezes quanto possível na superfície da fotomáscara. A luz (os UV) apenas poderá assim passar no exterior do contorno dos componentes a produzir.

4. Fabrico do wafer

O wafer é composto por um disco de silício com uma espessura correspondente à dos componentes a fabricar. Aplica-se uma camada de resina fotossensível na superfície deste disco.

5. Irradiação do wafer

Esta etapa consiste em sobrepor o fotomáscara ao wafer e irradiar a sua superfície com raios UV. Claro, graças ao filtro constituído pelo fotomáscara, apenas os contornos dos componentes a produzir serão protegidos dos raios UV. A resina exposta aos raios UV endurecerá por polimerização e não poderá ser dissolvida na etapa seguinte.

6. Revelação

Após ter sido exposto aos raios UV, o wafer é mergulhado num banho que permite dissolver, com uma precisão extrema, as superfícies do wafer que não foram expostas aos raios UV, ou seja, o contorno preciso dos componentes a produzir. Obtém-se, com esta operação, tantos perfis do componente a produzir quantos a superfície do wafer possa acolher. Nesta fase, o wafer está terminado, tal como a parte litográfica do processo.

7. Gravação (DRIE) do wafer

A wafer está agora pronta para ser gravada. Esta operação requer um ambiente limpo e é realizada em sala branca. A wafer é colocada numa câmara sob vácuo onde a Gravação será efetuada. Diferentes gases à base de flúor sob a forma de plasma vêm sucessivamente gravar e proteger as superfícies e os flancos do Silício assim cortado por passivação. Este ataque químico permite cortar componentes com uma espessura compreendida entre alguns mícrons e vários milímetros, com uma precisão de alguns mícrons.

8. Oxidação de superfície

Uma vez gravada a wafer, procede-se a uma oxidação térmica do Silício a 1200 °C. Forma-se então, por crescimento, uma camada de dióxido de silício. O dióxido de silício é transparente. A sua espessura (podendo ir até 3 mm) influenciará, por difração, a cor do componente. Este tratamento de superfície protege de forma homogénea o componente e melhora a sua Dureza, bem como as propriedades tribológicas (rugosidade, coeficiente de atrito, etc.).

9. Recuperação dos componentes

Uma vez terminada a gravação, a resina é dissolvida e os componentes recortados só precisam de ser recolhidos. Isentas de qualquer marca de usinagem, as superfícies geralmente não necessitam de nenhum tratamento posterior.

A tecnologia DRIE e o silício apresentam numerosas vantagens em relação aos métodos tradicionais de produção de componentes e aos materiais até então habituais, e permitem gravações em dois níveis. O design e a tecnicidade dos componentes beneficiaram imediatamente disso. Graças ao nível de precisão que este método oferece e à ausência de tensão mecânica durante o fabrico do componente, os limites em termos de tecnicidade e de design são magistralmente ultrapassados.

Embora o processo necessite de várias etapas, a implementação é rápida e o seu custo controlado. Os componentes realizados por este processo são sempre perfeitamente idênticos e conformes ao plano original. A precisão situa-se na ordem de alguns mícrons e, na ausência total de ferramentas, é possível atingir tolerâncias rigorosamente apertadas.

Devido a essa precisão e à ausência de ferramentas de corte, os acabamentos de superfície não necessitam, na maioria das vezes, de nenhum tratamento. Uma vantagem importante, especialmente quando se trata de engrenagens, já que os atritos são minimizados graças à qualidade das superfícies obtidas por essa tecnologia.

Essas numerosas vantagens rapidamente a tornaram uma tecnologia incontornável, amplamente utilizada, especialmente para a fabricação deescapamentos e de espirais. Ela verdadeiramente libertou a criatividade dos concepetores e melhorou o desempenho dos relógios. Assim, a tecnologia DRIE e o surgimento do silício constituem certamente uma das evoluções mais importantes deste último século.