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Technologie
Silicium

Depuis le début des années 2000, le silicium s’est imposé comme la matière la plus prometteuse de l’horlogerie. Filiale d’Ulysse Nardin et de Mimotec, Sigatec est la spécialiste des composants micromécaniques en silicium et crée uniquement des pièces sur mesure, avec une précision proche du micron. Destinées principalement à l’horlogerie,


Le silicium est un métalloïde, un type d'élément chimique qui a l'aspect du métal sans en posséder toutes les propriétés, en particulier de résistance. Son usage a été généralisé par l'industrie des semi-conducteurs, transistors et microprocesseurs en tête, qui s'en sert comme substrat de base pour la gravure de micro- et de pico-circuits intégrés. Il présente une série de propriétés qui en font une matière parfaitement adaptée à une utilisation en micro-mécanique de précision, un domaine auquel appartient l’horlogerie.

La matière

Le silicium utilisé par Sigatec se présente sous la forme de wafer, un disque d’environ 15 centimètres de diamètre pour quelques dixièmes de millimètres d'épaisseur. Il a été taillé dans un lingot de silicium, produit de manière synthétique par des fondeurs. Les plus grands peuvent mesurer 2 mètres de haut et ils sont constitués d'un seul et même cristal, ce qui garantit une parfaite homogénéité de la matière première. Ces fondeurs scient et polissent le cristal de silicium en wafers et livrent ces composants intermédiaires prêts à l’usage. Leur coût unitaire est de plusieurs centaines de francs. Si le prix de la matière reste maîtrisé, le processus est coûteux dû à sa technicité

La gravure DRIE

Le silicium nécessite un processus particulier afin de pouvoir prendre la forme des composants désirés. La gravure DRIE (Deep Reactive Ion Etching, ou gravure réactive ionique profonde) est une application qui, en à peine dix ans, a conquis une place à part dans l'horlogerie. Le lieu dans lequel ce processus s'effectue a une importance déterminante sur la qualité du résultat final. En effet, le silicium est fabriqué en salle blanche, comme les microprocesseurs. Pour pénétrer dans le l'espace clos dans lequel Sigatec réalise ces opérations, tout individu doit enfiler un équipement spécifique, qui protège les ateliers de fabrication. A travers une série de sas en surpression, chaque particule en suspension dans l'air, prise sur la peau, les vêtements, cheveux ou barbe est aspirée ou emprisonnée derrière une barrière de tissu synthétique et antistatique.

La lumière

En tout premier lieu, les wafers sont enduits d'une résine époxy photosensible. Dans une machine qui ressemble à un révélateur photographique, un photomasque a été inséré. Il s'agit de la matrice, une sorte de pochoir sur lequel sont dessinées les formes souhaitant être obtenues. Après une brève exposition à la lumière UV, qui irradie sélectivement la résine photosensible, le dessin du masque a été transféré sur le wafer. On ôtera la résine irradiée au moyen d’un bain chimique de révélation.

Ions et plasma

Puis vient la phase de gravure profonde, ou etching. Dans deux machines à plasma qui ressemblent à un réacteur chimique compact, et dont le coût unitaire atteint le million de francs, le wafer ainsi paré des géométries des pièces à fabriquer est inséré. Dans cette enceinte confinée règne un vide quasi-total, proche de celui de l'espace. Plusieurs fluides s'y succèdent. Un premier plasma attaque le silicium et le dissout là où le masque ne protège pas la matière. Après avoir entamé 1/3 de micron, le plasma est purgé. On injecte alors une couche de passivation, un polymère qui recouvre toute la surface gravée, flancs et fond. Le fond est ensuite détruit par bombardement ionique, afin de le dégager pour appliquer à nouveau le traitement par plasma initial. Ainsi, par micro-couches successives, le silicium est entamé jusqu'à l'épaisseur désirée. C'est ce processus qui est l'objet du brevet Bosch que Sigatec exploite de manière ultra maîtrisée.

Multi-niveaux

Afin d'obtenir des pièces complexes, à plusieurs niveaux, plusieurs masques peuvent être appliqués sur un même wafer à divers stades de sa fabrication. Les wafers sont alors retirés de l'appareil à plasma, irradiés au travers d’un nouveau masque et réintroduits dans la machine de gravure. Dans tous les cas, la géométrie obtenue présente une précision inférieure à ±2 microns. En réalité, cette gravure n'est pas entièrement en 3 dimensions, mais en 2,5 D car la géométrie issue du masque se voit projetée lors de l’étape de gravage. Sigatec maîtrise aussi l'anglage DRIE, qui intervient séparément, une fois les pièces gravées. De plus, une des dernières innovations de Sigatec est la soudure sur micro-pièces. Sur des points de contact sélectionnés, il est désormais possible d'effectuer une fusion entre deux surfaces à l'aide d'oxyde de silicium. Ce dernier est créé par l'injection d’oxygène à haute température dans un four de réaction. Il permet d'obtenir des composants monobloc aux formes complexes, à la manière d’un puzzle de plusieurs couches de pièces.

La finition

Un fois le wafer gravé, la résine époxy restante est éliminée. Intervient alors la dernière étape de fabrication. Dans un four dont les températures de fonctionnement et les compositions gazeuses restent tenues secrètes, une couche de dioxyde de silicium se forme à la surface des composants. Elle permet de durcir les pièces ainsi que d’obtenir de très recherchées propriétés de stabilité face aux changements de température. En effet, le module d’élasticité du silicium diminue avec une augmentation de température (comme pour la quasi-totalité des matériaux) tandis que celui du dioxyde de silicium se renforce. Ce bi-matériaux composite voit ainsi son module élastique apparent devenir quasiment insensible aux variations de température. C'est également à ce stade que les composants prennent leur couleur fi nale, généralement un violet chamarré, qui peut aller jusqu'au gris complet. Les composants fi nis sont ensuite séparés du wafer de base par un procédé de gravure à l’acide.

Les options

De manière optionnelle, les composants en silicium fi nis peuvent être recouverts d'une couche de diamant synthétique monocristallin. Dans une machine qui luit de plusieurs faisceaux, Sigatec dépose, couche par couche, du cristal de carbone pur à structure cubique à faces centrées, c’est-à-dire du diamant ! Cela permet d'augmenter la dureté des pièces et d'ajouter un élément de spécifi cité, de personnalisation qui s’intègre dans la démarche sur-mesure de Sigatec.

Le bilan énergétique

Le processus de fabrication DRIE consomme d'importantes quantités d'énergie. La fi ltration d'air. Le traitement des bains. La gestion de la température. La consommation en électricité des fours, des appareils de gravure. Celle des machines à plasma et de leurs turbos qui permettent d’atteindre un vide spatial. Sigatec a donc fait effectuer un forage géothermique afi n de minimiser sa consommation d'énergie et de réduire son impact sur l’environnement.

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