Технология использования кремния

Sigatec, партнерское предприятие Ulysse Nardin и Mimotec, специализируется на производстве микромеханических компонентов из кремния и по индивидуальному заказу создает изделия, точность которых достигает микрона.

Кремний является полуметаллом – химическим элементом, который похож на металл, но не обладает всеми его свойствами, в частности твердостью. Обычно он применяется в производстве полупроводников, транзисторов и микропроцессоров в виде пластин для интегральных микросхем. Материал обладает рядом свойств, которые делают его идеальным для использования в сферах, требующих микромеханической точности, в число которых входит производство часов.

С начала 2000-х годов кремний занял позицию самого перспективного материала в часовой индустрии.

Материал

Кремний, используемый компанией Sigatec, выпускается в форме дисков диаметром около 15 сантиметров и толщиной всего несколько десятых миллиметра. Они вырезаются из слитков кремния, произведенных синтетическим путем на плавильном заводе. Самые большие слитки могут достигать двух метров в высоту и имеют монокристаллическую природу, что гарантирует идеальную однородность и первоклассное качество материала. Плавильные заводы полируют кристаллы кремния, распиливают их на пластины и поставляют потребителям этот своего рода полуфабрикат для дальнейшей механической обработки. Стоимость таких пластин составляет несколько сотен франков. Цена держится на этом уровне из-за высокотехнологичных процессов обработки.

DRIE

Кремнию необходимо пройти ряд специфических процедур, чтобы трансформироваться в нужные компоненты. Процедура глубокого реактивного ионного травления – DRIE (Deep Reactive Ion Etching) – всего за 10 лет стала неотъемлемой частью часового производства. Пространство, в котором осуществляется данный процесс, имеет чрезвычайное значение для конечного результата. Работа с кремнием должна производиться в чистом помещении, как и производство микропроцессоров. Каждый, кто входит в пространство, где Sigatec осуществляет ключевые операции, должен быть одет в спецодежду для защиты мастерских. В специальной камере под давлением воздуха каждая частица, оказавшаяся в атмосфере, на коже, одежде, волосах или бороде, вакуумируется или закрывается барьером из синтетической ткани с антистатическими свойствами.

Свет

Прежде всего, пластины покрываются светочувствительной эпоксидной смолой. В аппарат, похожий на прибор для проявки пленки, вставляется фотомаска. Она служит своего рода трафаретом, на котором изображены нужные фигуры. После кратковременного воздействия ультрафиолета, который избирательно облучает светочувствительную смолу, изображенная на маске форма переносится на пластину. Остатки смолы удаляются в химической ванне.

Ионы и плазма

Далее следует фаза глубокой гравировки или травления. В две плазменные машины, которые выглядят как компактный химический реактор и стоят миллион франков за единицу, вставляется пластина с нанесенными на нее геометрическими фигурами для нужных компонентов. В закрытом резервуаре царит практически абсолютный вакуум, подобно космическому пространству. Он последовательно заполняется разными жидкостями. Первая жидкость – плазма, которая растворяет незащищенные маской области кремния. После растворения на треть микрона плазма удаляется из резервуара. Затем наносится пассивирующий слой – полимер, покрывающий всю подвергнутую травлению поверхность, включая стороны и основание. Основа подвергается ионной бомбардировке, и плазменный процесс может быть применен снова. Таким образом, благодаря последовательной обработке микрослоев, кремний достигает желаемой толщины. Именно этот процесс лежит в основе патента Bosch, используемого компанией Sigatec.

Многочисленные слои

Чтобы получить сложные детали, на одну и ту же пластину на разных этапах производства наносится целый ряд масок. Пластины извлекаются из плазменной машины, облучаются с помощью новой маски и в очередной раз отправляются в травильную машину. Полученные таким образом геометрические фигуры имеют точность ± 2 микрона. На самом деле, созданные с помощью травления изображения являются не трехмерными, а 2,5D, поскольку в процессе гравировки происходит проецирование геометрических форм масок. Компания Sigatec виртуозно владеет процессом DRIE, который представляет собой автономный этап, запускаемый после травления деталей. Более того, одним из последних нововведений Sigatec является сварка таких микроэлементов. Теперь две поверхности могут быть соединены между собой в выбранных точках контакта с помощью оксида кремния. Оксид создается путем введения кислорода в реакционную печь при высокой температуре.

Это позволяет производителю получать моноблочные компоненты сложной формы, похожие на пазл с множеством слоистых деталей.

Отделка

Как только процесс травления пластины завершается, остатки эпоксидной смолы удаляются. Начинается последний этап производственного процесса. В печи, заполненной газами и нагретой до определенных температур, значение которых держится в секрете, на поверхности компонентов образуется слой диоксида кремния. Это приводит к затвердеванию деталей и позволяет достичь желаемой стабильности при температурных колебаниях. Модуль упругости кремния уменьшается с ростом температуры (как и у большинства материалов), в то время как диоксид кремния становится только прочнее. Таким образом, этот композит из двух материалов обретает модуль упругости, который практически не зависит от изменений температуры. Кроме того, на данном этапе компоненты обретают окончательную окраску – от ярко-фиолетового до шиферно-серого. Готовые компоненты отделяются от базовой пластины с помощью кислотного травления.

Опции

На готовые компоненты из кремния может быть дополнительно нанесено монокристаллическое алмазное покрытие. С помощью аппарата с несколькими световыми лучами, Sigatec слой за слоем соединяет кристаллы углерода, формируя из них кубическую структуру, другими словами – алмаз! Это позволяет повысить твердость деталей и делает процесс специфическим и персонализированным, что характерно для всех разработок Sigatec.

Энергия

Технология DRIE требует большого потребления энергии. Фильтрация воздуха. Химические ванны. Смена температурных режимов. Расход энергии на работу печей и травильных машин. Работа плазменных машин и их турбин, создающих вакуум. В связи с этим, компания Sigatec разработала геотермальную скважину, чтобы минимизировать потребление энергии и уменьшить негативное воздействие на окружающую среду.