CH702576A2 - Micro-mechanical piece such as an anchor and an escape wheel for a timepiece, comprises a core made of silicon, a first coating layer comprising diamond, a second coating layer on the first layer, and an intermediate layer - Google Patents
Micro-mechanical piece such as an anchor and an escape wheel for a timepiece, comprises a core made of silicon, a first coating layer comprising diamond, a second coating layer on the first layer, and an intermediate layer Download PDFInfo
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Abstract
Description
DOMAINE DE L’INVENTIONFIELD OF THE INVENTION
[0001] L’invention se rapporte à une pièce de micro-mécanique, telle qu’une pièce d’horlogerie, réalisée en silicium et ayant un revêtement. L’invention se rapporte également à un procédé de fabrication de ladite pièce de micromécanique. The invention relates to a micro-mechanical part, such as a timepiece, made of silicon and having a coating. The invention also relates to a method of manufacturing said micromechanical part.
ÉTAT DE LA TECHNIQUESTATE OF THE ART
[0002] Le silicium (de symbole Si) est un élément chimique de la famille des cristallogènes. C’est l’élément le plus abondant dans la croûte terrestre après l’oxygène. Il n’existe pas à l’état libre, mais sous forme de composés: sous forme de dioxyde de silicium (SiO2), la silice (dans le sable, le quartz, la cristobalite, etc.) ou d’autres silicates. [0002] Silicon (Si symbol) is a chemical element of the family of crystallogens. It is the most abundant element in the earth's crust after oxygen. It does not exist in the free state, but in the form of compounds: in the form of silicon dioxide (SiO2), silica (in sand, quartz, cristobalite, etc.) or other silicates.
[0003] Le silicium présente à l’état pur des caractéristiques mécaniques élevées qui permettent de l’utiliser pour la réalisation de petites pièces destinées à certains micromécanismes et même à la fabrication de ressorts spiraux destinés à des montres mécaniques haut de gamme. Dans le contexte de la présente invention, par pièces en silicium on entend pièces gravées par procédé de gravure ionique réactive profonde (DRIE «deep reactive-ion etching»), notamment pour l’horlogerie, comme des ancres, des roues d’échappement ou tout autre composant. [0003] Silicon has, in the pure state, high mechanical characteristics which make it possible to use it for the production of small parts intended for certain micromechanisms and even for the manufacture of spiral springs intended for high-end mechanical watches. In the context of the present invention, silicon parts are understood to mean parts etched by a deep reactive-ion etching (DRIE) process, especially for watchmaking, such as anchors, escape wheels or any other component.
[0004] Le silicium est un matériau de plus en plus utilisé dans la fabrication de pièces micro-mécaniques. Par rapport aux métaux ou alliages classiquement utilisés pour fabriquer des pièces de micro-mécaniques, telles que des pièces articulées, des roues dentées ou des ressorts, le silicium présente l’avantage d’avoir une densité 3 à 4 fois plus faible et donc de présenter une inertie très réduite, et d’être insensible aux champs magnétiques. Ces avantages sont particulièrement importants dans le domaine horloger, tant en ce qui concerne l’isochronisme que la durée de marche lorsque la source d’énergie est constituée par un ressort. Silicon is a material increasingly used in the manufacture of micro-mechanical parts. Compared to metals or alloys conventionally used to manufacture micro-mechanical parts, such as articulated parts, gears or springs, silicon has the advantage of having a density 3 to 4 times lower and therefore of have a very low inertia, and be insensitive to magnetic fields. These advantages are particularly important in the field of watchmaking, both as regards isochronism and the running time when the energy source is constituted by a spring.
[0005] Le silicium a toutefois un désavantage d’être sensible aux chocs, qui peuvent être nécessaires lors de l’assemblage, inévitables lors du fonctionnement, ou fortuits lors de l’usage, si par exemple l’usager laisse tomber sa montre-bracelet. Pour surmonter les faiblesses du silicium, on connaît des solutions où les pièces en silicium sont au moins partiellement revêtues de diamant. La fabrication de pièces en silicium recouvertes de diamant apporte rigidité et résistance mécanique au silicium. Par diamant on entend un dépôt d’un revêtement en diamant sur le silicium (DCS «diamond coated silicon») et non carbone cristallisé sous forme de diamant (DLC «diamond like carbon»). Silicon, however, has a disadvantage of being sensitive to shocks, which may be necessary during assembly, unavoidable during operation, or fortuitous during use, if for example the user drops his watch. bracelet. To overcome the weaknesses of silicon, solutions are known where the silicon parts are at least partially coated with diamond. The manufacture of silicon-coated silicon parts provides rigidity and mechanical resistance to silicon. By diamond is meant a deposition of a diamond coating on silicon (diamond coated silicon) and non-diamond crystallized diamond-like carbon (DLC).
[0006] Le diamant a cependant les désavantages suivants: sa dureté extrême fait qu’il devient incompatible avec d’autres matériaux en frottement. Cette incompatibilité est due à l’abrasion provoquée par le diamant sur le matériau en contact. Le diamant a également un désavantage d’avoir des propriétés tribologiques médiocres constatées dans le fonctionnement spécifique d’ancres et de roues d’échappement. Les deux composants étant fabriqués en silicium et recouverts de diamant. Par tribologie, on entend la science qui étudie les phénomènes susceptibles de se produire entre deux systèmes matériels en contact, immobiles ou animés de mouvements relatifs. Il recouvre, entre autres, tous les domaines du frottement, de l’usure et de la lubrification. The diamond however has the following disadvantages: its extreme hardness makes it becomes incompatible with other materials in friction. This incompatibility is due to the abrasion caused by the diamond on the material in contact. Diamond also has a disadvantage of having poor tribological properties found in the specific operation of anchors and escape wheels. Both components are made of silicon and covered with diamond. By tribology, we mean the science that studies the phenomena likely to occur between two material systems in contact, motionless or animated relative movements. It covers, among other things, all areas of friction, wear and lubrication.
[0007] On connaît également des solutions où le silicium est revêtu d’une couche de dioxyde de silicium. Cette solution a de grands avantages au niveau des propriétés tribologiques mais la pièce n’est pas mécaniquement renforcée. Solutions are also known in which the silicon is coated with a layer of silicon dioxide. This solution has great advantages in terms of tribological properties but the part is not mechanically reinforced.
SOMMAIRE DE L’INVENTIONSUMMARY OF THE INVENTION
[0008] La présente invention a donc pour objet de proposer une pièce de micro-mécanique qui ne présente pas de désavantages de pièces connues et qui est en outre particulièrement convenable pour être utilisée dans le domaine d’horlogerie. The present invention therefore aims to provide a micro-mechanical part which has no disadvantages of known parts and which is also particularly suitable for use in the field of timepieces.
[0009] A cet effet, l’invention a pour objet selon un premier aspect une pièce de micro-mécanique comprenant une âme fabriquée en silicium, dans laquelle la pièce de micro-mécanique comprend une première couche de revêtement, la première couche comprenant du diamant, caractérisée en ce que la pièce de micro-mécanique comprend une deuxième couche de revêtement sur la première couche, la deuxième couche couvrant au moins partiellement la première couche, et possédant des propriétés tribologiques complémentaires à celles de la première couche. For this purpose, the subject of the invention is, according to a first aspect, a micro-mechanical part comprising a core made of silicon, in which the micro-mechanical part comprises a first coating layer, the first layer comprising diamond, characterized in that the micro-mechanical part comprises a second coating layer on the first layer, the second layer at least partially covering the first layer, and having tribological properties complementary to those of the first layer.
[0010] La pièce de micro-mécanique selon la présente invention est donc très rigide grâce au revêtement en diamant mais possède des propriétés tribologiques idéales grâce au deuxième revêtement. Le deuxième revêtement rend la pièce de micro-mécanique compatible avec d’autres matériaux en frottement et les abrasions peuvent être évitées. The micro-mechanical part according to the present invention is very rigid thanks to the diamond coating but has ideal tribological properties thanks to the second coating. The second coating makes the micro-mechanical part compatible with other friction materials and the abrasions can be avoided.
[0011] Selon un mode de réalisation particulier, la pièce de micromécanique est telle qu’au moins une couche intermédiaire est arrangée entre l’âme et la première couche de revêtement. Ainsi, l’âme en silicium et cette au moins une couche intermédiaire forme un ensemble qui peut être revêtu des couches supplémentaires. La couche ou les couches intermédiaires peuvent également être réalisés en un matériau cristallin, notamment silicium. Mais il est bien entendu possible de réaliser ces couches intermédiaires dans d’autres matériaux. According to a particular embodiment, the micromechanical part is such that at least one intermediate layer is arranged between the core and the first coating layer. Thus, the silicon core and this at least one intermediate layer forms an assembly that can be coated with additional layers. The intermediate layer or layers may also be made of a crystalline material, in particular silicon. But it is of course possible to make these intermediate layers in other materials.
[0012] Grâce à ces couches intermédiaires, la pièce de micro-mécanique présente des propriétés avantageuses par rapport à une pièce dans laquelle l’âme est directement revêtue de la couche en diamant. Par exemple les couches intermédiaires peuvent être utiles d’avoir une rugosité extrêmement faible. Ou alors les couches intermédiaires peuvent être mises pour faciliter ou garantir l’adhérence du diamant. With these intermediate layers, the micro-mechanical part has advantageous properties compared to a part in which the core is directly coated with the diamond layer. For example, the intermediate layers may be useful for having an extremely low roughness. Or else the intermediate layers can be put to facilitate or guarantee the adhesion of the diamond.
[0013] L’invention a pour objet selon un deuxième aspect un procédé de fabrication d’une pièce de micro-mécanique, comprenant les étapes suivantes: graver une âme en silicium de la pièce micro-mécanique; déposer une première couche de revêtement, la première couche comprenant du diamant, et couvre au moins partiellement l’âme, caractérisé en ce que le procédé comprend en plus: déposer une deuxième couche de revêtement sur la première 5 couche, la deuxième couche couvrant au moins partiellement la première couche, et possédant des propriétés tribologiques complémentaires à celles de la première couche.The subject of the invention is, according to a second aspect, a method for manufacturing a micro-mechanical part, comprising the following steps: engraving a silicon core of the micro-mechanical part; depositing a first coating layer, the first layer comprising diamond, and at least partially covering the core, characterized in that the method further comprises: depositing a second coating layer on the first layer, the second layer at least partially covering the first layer, and having tribological properties complementary to those of the first layer.
[0014] Les autres aspects de la présente invention se trouvent dans les revendications dépendantes. Other aspects of the present invention are in the dependent claims.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[0015] L'invention sera bien comprise à la lecture de la description ci-après faite à titre d'exemple non limitatif, en regardant les dessins ci-annexés qui représentent schématiquement: <tb>- fig. 1<sep>une vue de coupe, une pièce de micro-mécanique selon une solution connue de l'état de l'art, et <tb>- fig. 2<sep>une vue de coupe, une pièce de micro-mécanique selon un mode de réalisation de la présente invention.The invention will be better understood on reading the following description given by way of non-limiting example, by looking at the attached drawings which show schematically: <tb> - fig. 1 <sep> a sectional view, a micro-mechanical part according to a known solution of the state of the art, and <tb> - fig. 2 <sep> a sectional view, a micro-mechanical part according to an embodiment of the present invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'UN MODE DE RÉALISATIONDETAILED DESCRIPTION OF AN EMBODIMENT
[0016] Les mêmes numéros de référence indiquent les éléments correspondants dans les différentes figures. The same reference numbers indicate the corresponding elements in the different figures.
[0017] En se reportant aux dessins, un mode de réalisation non limitatif d'une pièce de micro-mécanique et de son procédé de fabrication conformément à la présente invention est maintenant expliqué plus en détail. Referring to the drawings, a non-limiting embodiment of a micro-mechanical part and its manufacturing method according to the present invention is now explained in more detail.
[0018] Fig. 1 illustre une vue de coupe d'une pièce de micro-mécanique 101 telle qu'une ancre dans le domaine d'horloger. Cette pièce comporte une âme (partie principale) en silicium 103 dont toute ou une partie de la surface est revêtue d’une couche de diamant 105. L’âme 103 est obtenue par exemple par gravure ionique réactive profonde. La gravure ionique réactive profonde est un procédé de gravure ionique réactive fortement anisotrope utilisé en microélectronique. Il permet de créer des trous et des tranchées profondes dans des wafers avec un rapport largeur/hauteur de 20/1 ou plus. Cette technique a été développée, par exemple, pour les microsystèmes électromécaniques qui nécessitent ce type de fonctionnalités. Il existe deux principales techniques de DRIE à haut taux: cryogénique et Bosch. [0018] FIG. 1 illustrates a sectional view of a micro-mechanical part 101 such as an anchor in the field of watchmaker. This part comprises a core (main part) of silicon 103, all or part of the surface is coated with a diamond layer 105. The core 103 is obtained for example by deep reactive ion etching. Deep reactive ion etching is a highly anisotropic reactive ion etching process used in microelectronics. It creates holes and deep trenches in wafers with a width-to-height ratio of 20: 1 or more. This technique has been developed, for example, for electromechanical microsystems that require this type of functionality. There are two main high-rate DRIE techniques: cryogenic and Bosch.
[0019] Pour obtenir la couche de diamant 105 on effectue un dépôt DCS. Normalement une couche de diamant 105 dont l’épaisseur est entre 0.5 µm et 1 µm est suffisante pour garantir la rigidité souhaitée de la pièce de micromécanique 101. To obtain the diamond layer 105, a DCS deposit is made. Normally, a diamond layer 105 whose thickness is between 0.5 μm and 1 μm is sufficient to guarantee the desired rigidity of the micromechanical part 101.
[0020] Pour améliorer les propriétés tribologiques de la pièce de micromécanique 101 et donc pour éviter les désavantages de l’abrasion, on recouvre la couche de diamant 105 soit partiellement, soit entièrement d’une couche supplémentaire 201 (fig. 2) ayant les caractéristiques suivantes: bonne adhérence au diamant et bonnes propriétés tribologiques. Dans cet exemple cette couche supplémentaire 201 est de l’oxyde de silicium. L’épaisseur de cette couche supplémentaire (201) est normalement entre 50 nanomètres et 1000 nanomètres. To improve the tribological properties of the micromechanical part 101 and thus to avoid the disadvantages of abrasion, the diamond layer 105 is covered either partially or entirely with an additional layer 201 (FIG. characteristics: good diamond adhesion and good tribological properties. In this example, this additional layer 201 is silicon oxide. The thickness of this additional layer (201) is normally between 50 nanometers and 1000 nanometers.
[0021] Selon un premier exemple, la couche supplémentaire 201 est obtenue par un dépôt d’oxyde de silicium par procédé dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD «plasma-enhanced chemical vapour déposition») ou procédé équivalent sur le diamant. Le dépôt chimique en phase vapeur assisté par le plasma est un procédé utilisé pour déposer des couches minces sur un substrat à partir d’un état gazeux (vapeur). Des réactions chimiques se déroulent pendant le processus après la formation d’un plasma à partir des gaz du réacteur. Le plasma est généralement créé à partir de ce gaz par radio-fréquences ou bien par une décharge électrique entre deux électrodes. Un plasma est un gaz dans lequel un pourcentage élevé d’atomes ou de molécules sont ionisés. According to a first example, the additional layer 201 is obtained by a silicon oxide deposition by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) process or equivalent method on diamond. Plasma enhanced chemical vapor deposition is a process used to deposit thin layers on a substrate from a gaseous (vapor) state. Chemical reactions take place during the process after the formation of a plasma from the reactor gases. The plasma is generally created from this gas by radio frequencies or by an electric discharge between two electrodes. A plasma is a gas in which a high percentage of atoms or molecules are ionized.
[0022] Le dépôt par plasma est fréquemment utilisé dans la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs pour déposer des films sur des plaquettes possédant une ou plusieurs couches métalliques ou d’autres structures sensibles à la température. L’oxyde de silicium (par exemple dioxyde de silicium, SiO2) peut être déposé à partir de dichlorosilane ou d’un mélange de silane et d’oxygène, généralement à des pressions allant de quelques centaines de millitorrs à quelques torrs. Plasma deposition is frequently used in the manufacture of semiconductor devices for depositing films on wafers having one or more metal layers or other temperature sensitive structures. Silicon oxide (for example silicon dioxide, SiO2) can be deposited from dichlorosilane or a mixture of silane and oxygen, generally at pressures ranging from a few hundred millitorrs to a few torrs.
[0023] Selon un deuxième exemple, la couche supplémentaire 201 est obtenue par un dépôt de polysilicium sur le diamant par les mêmes procédés que dans le premier exemple. Dans ce cas une oxydation du polysilicium dans un four permet une transformation en oxyde de silicium. En d’autres termes, on effectue une oxydation thermique pour le polysilicium à haute température, normalement entre 800 °C et 1300 °C pour obtenir une couche d’oxyde de silicium 201 sur le diamant. In a second example, the additional layer 201 is obtained by depositing polysilicon on the diamond by the same methods as in the first example. In this case, oxidation of the polysilicon in an oven allows transformation into silicon oxide. In other words, thermal oxidation is carried out for the high temperature polysilicon, normally between 800 ° C. and 1300 ° C. to obtain a layer of silicon oxide 201 on the diamond.
[0024] Le polysilicium, très couramment appelé silicium polycristallin ou poly-Si est une forme de silicium qui se différencie du silicium monocristallin comme du silicium amorphe. Contrairement au premier, composé d’un seul cristal et au second n’ayant aucune ou une très faible cohérence cristallographique, le polysilicium est constitué de multiples petits cristaux de tailles et de formes variées, et possède donc des propriétés différentes des deux autres formes. Contrairement au silicium monocristallin, le polysilicium est composé d’un très grand nombre de petits cristaux ou cristallites de silicium. Polysilicon, very commonly called polycrystalline silicon or poly-Si is a form of silicon that differs from monocrystalline silicon as amorphous silicon. Unlike the first, composed of a single crystal and the second having no or very weak crystallographic coherence, the polysilicon consists of multiple small crystals of various sizes and shapes, and therefore has properties different from the other two forms. Unlike monocrystalline silicon, polysilicon is composed of a very large number of small crystals or crystallites of silicon.
[0025] On pourrait aussi envisager d’autres recouvrements, tels qu’oxyde de tantale (Ta2O5) ou nitrure de silicium, dans les limites que leur adhérence au silicium soit suffisante et que ces recouvrements possèdent des bonnes propriétés tribologiques. La couche finale 201 peut aussi être un mélange des matériaux identifiés ci-dessus. Dans la solution décrite ci-dessus les deux couches de revêtement finales 105; 201 sont déposées directement sur l’âme 103. On peut également envisager des solutions où il y a une ou plusieurs couches intermédiaires entre l’âme et les couches finales 105; 201. Other overlays, such as tantalum oxide (Ta2O5) or silicon nitride, could also be envisaged, provided that their adhesion to silicon is sufficient and that these overlays have good tribological properties. The final layer 201 may also be a mixture of the materials identified above. In the solution described above the two final coating layers 105; 201 are deposited directly on the core 103. One can also consider solutions where there is one or more intermediate layers between the core and the final layers 105; 201.
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