Siliziumtechnologie

Tecnologia del silicio

Sigatec, ein Tochterunternehmen von Ulysse Nardin und Mimotec, ist auf mikromechanische Komponenten aus Silizium spezialisiert und fertigt kundenspezifische Teile mit einer Präzision im Mikrometerbereich.

Silizium ist ein Halbmetall, eine Art chemisches Element, das Metall ähnelt, ohne all dessen Eigenschaften, insbesondere die Härte, zu besitzen. Es wurde allgemein in dem Sektor verwendet, der hauptsächlich Halbleiter, Transistoren und Mikroprozessoren herstellt und das Material als Basis für das Ätzen von Mikro- und integrierten Schaltungen verwendet. Es weist eine Reihe von Eigenschaften auf, die es für den Einsatz in der mikromechanischen Präzision, einen Bereich, der die Uhrmacherkunst einschließt, perfekt geeignet machen.

Seit Anfang der 2000er Jahre hat sich Silizium zum vielversprechendsten Material in der Uhrmacherkunst entwickelt.

Das Material

Das von Sigatec verwendete Silizium hat die Form eines Wafers, einer Scheibe mit einem Durchmesser von etwa 15 Zentimetern und einer Dicke von nur wenigen Zehntel Millimetern. Dieser wird aus einem Siliziumkristallbarren gefertigt, der in Schmelzanlagen synthetisch hergestellt wird. Die größten Barren können bis zu zwei Meter hoch sein und bestehen aus einem einzigen Kristall, was ein perfekt homogenes und erstklassiges Material garantiert. In den Schmelzanlagen wird das Siliziumkristall in Wafern geschnitten, poliert und anschließend als Zwischenteile geliefert, die bearbeitet werden können. Sie kosten mehrere hundert Franken. Die Kosten für das Material beruhen ausschließlich auf dem hohen technischen Arbeitsaufwand.

DRIE

Silizium erfordert ein besonderes Verfahren, um in die gewünschten Komponenten geformt zu werden. DRIE, oder Deep Reactive Ion Etching, hat sich in nur 10 Jahren einen eigenen Platz in der Uhrmacherkunst erobert. Der Raum, in dem dieses Verfahren durchgeführt wird, ist für das Endergebnis äußerst wichtig. Silizium wird in einem Reinraum hergestellt, genau wie Mikroprozessoren. Um den Raum zu betreten, in dem Sigatec seine Haupttätigkeiten durchführt, muss jeder eine spezielle Ausrüstung tragen, um die Werkstätten zu schützen. In einer Druckluftkammer wird jedes in der Luft, auf der Haut, der Kleidung, den Haaren oder dem Bart schwebende Partikel abgesaugt oder hinter einer Barriere aus synthetischem und antistatischem Gewebe eingeschlossen.

Das Licht

Das Wichtigste zuerst: Die Wafer werden mit einem lichtempfindlichen Epoxidharz beschichtet. In ein Gerät, das einem Filmentwicklungsgerät ähnelt, wird eine Fotomaske eingesetzt. Es dient als eine Art Schablone, auf der die gewünschten Formen aufgezeichnet werden. Nach kurzer Belichtung mit UV-Licht, welches das lichtempfindliche Harz selektiv bestrahlt, wird die Form der Maske auf den Wafer übertragen. Das verbleibende Harz wird in einem chemischen Bad mit Entwickler entfernt.

Ionen und Plasma

Was folgt, ist die Phase der Tiefengravur oder Radierung. Der Wafer mit den geometrischen Formen für die gewünschten Komponenten wird in zwei Plasmamaschinen eingesetzt, die wie ein kompakter chemischer Reaktor aussehen und pro Einheit eine Million Franken kosten. In dem geschlossenen Tank herrscht ein fast völliges Luftvakuum, ähnlich wie im Weltraum. Nacheinander werden mehrere Flüssigkeiten eingefüllt. Das erste ist ein Plasma, das auf das Silizium abzielt und die nicht durch die Maske geschützten Bereiche auflöst. Nachdem ein Drittel eines Mikrometers entfernt wurde, wird das Plasma aus dem Tank gespült. Es wird eine Passivierungsschicht eingespritzt, bei der es sich um ein Polymer handelt, das die gesamte gravierte Oberfläche, einschließlich der Seiten und Böden, bedeckt. Die Basis wird dann durch Ionenbeschuss zerstört, so dass der Plasmaprozess erneut angewendet werden kann. Auf diese Weise erreicht das Silizium in einer Abfolge von Mikroschichten die gewünschte Dicke. Dieses Verfahren ist der Kern des Bosch-Patents, das von Sigatec genutzt wird.

Mehrstufig

Um diese komplexen Teile in mehreren Stufen zu erhalten, können auf demselben Wafer in verschiedenen Fertigungsstufen mehrere Masken aufgebracht werden. Die Wafer werden dann aus der Plasmamaschine entnommen, durch eine neue Maske bestrahlt und wieder in die Ätzmaschine eingesetzt. In jedem Fall weist die erhaltene Geometrie eine Genauigkeit von ±2 Mikrometer auf. In Wirklichkeit ist die Ätzung nicht genau dreidimensional, sondern 2,5D, da die geometrische Form auf der Maske während des Gravurverfahrens projiziert wird. Sigatec beherrscht das DRIE-Abschrägen, das separat angewendet wird, sobald die Stücke geätzt sind. Darüber hinaus ist eine der jüngsten Innovationen von Sigatec das Schweißen an diesen Mikroteilen. An ausgewählten Kontaktpunkten ist es nun möglich, mit Hilfe von Siliziumoxid eine Verschmelzung zwischen zwei Oberflächen herzustellen. Das Oxid wird durch Einblasen von Sauerstoff bei hohen Temperaturen in einem Reaktionsofen erzeugt.

Sie ermöglicht dem Hersteller, Monoblockbauteile mit komplexen Formen zu erhalten, wie ein Puzzle mit vielen geschichteten Teilen.

Der Abschluss

Sobald der Wafer geätzt ist, wird das verbleibende Epoxidharz entfernt. Jetzt folgt der letzte Schritt des Produktionsverfahrens. In einem Ofen, der mit Gasen gefüllt und auf bestimmte Temperaturen erhitzt wird, die geheim bleiben sollen, bildet sich auf der Oberfläche der Komponenten eine Schicht aus Siliziumdioxid. Dadurch werden die Stücke gehärtet und gleichzeitig die angestrebte Stabilität gegenüber thermischen Schwankungen erreicht. Tatsächlich sinkt das Elastizitätsmodul des Siliziums mit steigender Temperatur (wie bei den meisten Materialien), während das Siliziumdioxid nur stärker wird. Dieser Verbundwerkstoff aus den beiden Materialien hat daher einen Elastizitätsmodul, das praktisch nicht auf Temperaturschwankungen reagiert. In diesem Stadium nehmen die Komponenten auch ihre endgültige Färbung an, die zwischen hellem Violett und Schiefergrau variiert. Die fertigen Komponenten werden dann mit einem Säureätzverfahren vom Basiswafer getrennt.

Die Optionen

Als zusätzliche Option können die gefertigten Siliziumkomponenten mit einer Schicht aus monokristallinem Diamant beschichtet werden. In einer Maschine mit mehreren Lichtstrahlen legt Sigatec Schicht für Schicht reinen Kohlenstoffkristall in kubischer Struktur – also Diamant! Dies ermöglicht, die Härte der Stücke zu erhöhen, und fügt dem Ganzen etwas Besonderes, Individuelles hinzu, was charakteristisch für die maßgeschneiderten Verfahren von Sigatec ist.

Die Energiebilanz

DRIE verbraucht große Mengen an Energie. Die Luftfilterung. Die Bäder. Das Temperaturmanagement. Der Verbrauch von Energie für die Öfen, die Ätzmaschinen. Die Energie der Plasmamaschinen und ihrer Turbos, die ein Luftvakuum erzeugen. Sigatec hat daher eine geothermische Bohrung durchgeführt, um den Energieverbrauch zu senken und die Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern.