Siliziumtechnologie
Im Jahr 2001 schrieb die revolutionäre Freak von Ulysse Nardin als erste Uhr mit Siliziumhemmung Geschichte und läutete eine neue Ära der Uhrmacherkunst ein.
Das Verfahren zur Herstellung von Siliziumkomponenten
Vorbereitung des Materials
Silizium ist ein Halbmetall, das heißt ein chemisches Element, das einem Metall ähnelt, ohne all seine Eigenschaften zu besitzen, insbesondere nicht die Härte. Sigatec verwendet Silizium in Form von Wafern – Scheiben mit einem Durchmesser von rund 15 cm und einer Dicke von wenigen Zehntel Millimetern. Die Wafer werden aus Siliziumkristallbarren gefertigt, die in Schmelzanlagen synthetisch hergestellt werden. Diese Barren, die bis zu zwei Meter hoch sein können, bestehen aus einem einzigen Kristall, wodurch ein hochwertiges, perfekt homogenes Material gewährleistet ist. In den Schmelzanlagen wird der Siliziumkristall zu Wafern geschnitten. Die Wafer werden poliert, um sie für das komplexe Ätzverfahren vorzubereiten.
Reaktives Ionentiefenätzen (Deep Reactive Ion Eching, DRIE)
DRIE ist ein Ätzverfahren, das in einem Reinraum durchgeführt wird, um absolute Präzision zu gewährleisten. Die Wafer werden zunächst mit einem lichtempfindlichen Epoxidharz beschichtet. Durch eine aufgesetzte Fotomaske hindurch werden sie mit UV-Licht belichtet, wobei das lichtempfindliche Harz selektiv bestrahlt wird, um so die gewünschten Formen auf den Wafer zu übertragen.
Plasma und Ionenbeschuss
Nun folgt die Phase der Tiefengravur oder Ätzung. Der Wafer mit den geometrischen Formen für die gewünschten Komponenten wird in zwei Plasmamaschinen eingesetzt. In dem geschlossenen Tank herrscht ein nahezu vollständiges Vakuum. Nacheinander werden mehrere Flüssigkeiten eingefüllt. Durch diese Abfolge von Mikroschichten erreicht das Silizium die gewünschte Dicke. Um komplexe mehrlagige Teile zu erhalten, können auf demselben Wafer in verschiedenen Fertigungsstufen mehrere Masken aufgebracht werden. Dann werden die Wafer aus der Plasmamaschine entnommen, durch eine neue Maske hindurch bestrahlt und wieder in die Ätzmaschine eingelegt. Die erreichte Geometrie weist in jedem Fall eine Genauigkeit von ±2 Mikrometern auf.
Endbehandlung
Sobald der Wafer geätzt ist, wird das verbleibende Epoxidharz sorgfältig entfernt. Nun folgt die letzte Phase des Verfahrens. In einem Ofen, der mit Gasen gefüllt und genau auf bestimmte, geheim gehaltene Temperaturen erhitzt wird, bildet sich auf der Oberfläche der Komponenten eine Schicht aus Siliziumdioxid. Dadurch härten die Teile aus und erhalten gleichzeitig die gewünschte Stabilität gegenüber Temperaturschwankungen. In diesem Stadium nehmen die Bauteile auch ihre endgültige Farbe an, die zwischen hellem Violett und Schiefergrau variiert. Optional können die gefertigten Komponenten mit monokristallinem Diamant beschichtet werden, dem sogenanntem Diamonsil®.
Die Energiebilanz
Beim DRIE-Verfahren und anderen Stufen der Siliziumfertigung werden große Mengen Energie verbraucht. Sigatec hat daher ein auf geothermischen Bohrungen basierendes System eingeführt, um den Energieverbrauch und die Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern.