CH710308A2 - Thermocompensated silicon resonator. - Google Patents

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CH710308A2
CH710308A2 CH01547/15A CH15472015A CH710308A2 CH 710308 A2 CH710308 A2 CH 710308A2 CH 01547/15 A CH01547/15 A CH 01547/15A CH 15472015 A CH15472015 A CH 15472015A CH 710308 A2 CH710308 A2 CH 710308A2
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doped silicon
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doping rate
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Fiaccabrino Jean-Charles
Serpry Anthony
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Richemont Int Sa
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Abstract

L’invention concerne un procédé de fabrication d’un résonateur (15) en silicium thermocompensé pour un mouvement horloger mécanique ou autre instrument de précision, comprenant déterminer un taux de dopage prédéterminé du silicium de manière à obtenir une valeur de thermocompensation souhaité; ajouter un dopant dans le silicium en quantité suffisante pour obtenir le taux de dopage prédéterminé; cristalliser le silicium dopé; et former le résonateur (15) thermocompensé dans le silicium dopé cristallisé.The invention relates to a method for manufacturing a thermocompensated silicon resonator (15) for a mechanical clock movement or other precision instrument, comprising determining a predetermined doping level of the silicon so as to obtain a desired thermocompensation value; adding a dopant in the silicon in sufficient quantity to obtain the predetermined doping level; crystallize the doped silicon; and forming the thermocompensated resonator (15) in the crystallized doped silicon.

Description

Domaine techniqueTechnical area

[0001] La présente invention concerne un procédé de fabrication d’un résonateur en silicium thermocompensé pour un mouvement horloger mécanique ou autre instrument de précision. L’invention concerne également un résonateur obtenu par le procédé ainsi qu’un organe régulateur comprenant un tel résonateur. [0001] The present invention relates to a method of manufacturing a thermocompensated silicon resonator for a mechanical watch movement or other precision instrument. The invention also relates to a resonator obtained by the method as well as to a regulating member comprising such a resonator.

Etat de la techniqueState of the art

[0002] La précision des montres mécaniques dépend de la stabilité de la fréquence propre de l’oscillateur, typiquement formé du balancier-spiral. Lorsque la température varie, les dilatations thermiques du spiral et du balancier, ainsi que la variation du module de Young du spiral, modifient la fréquence propre de cet ensemble oscillant, perturbant la précision de la montre. [0002] The precision of mechanical watches depends on the stability of the natural frequency of the oscillator, typically formed by the sprung balance. When the temperature varies, the thermal expansions of the hairspring and the balance, as well as the variation of the Young's modulus of the hairspring, modify the natural frequency of this oscillating assembly, disturbing the precision of the watch.

[0003] La plupart des méthodes proposées pour compenser ces variations de fréquence sont basées sur la considération que cette fréquence propre dépend exclusivement du rapport entre la constante du couple de rappel exercé par le spiral sur le balancier et le moment d’inertie de ce dernier, comme indiqué dans la relation suivante: Most of the methods proposed for compensating for these frequency variations are based on the consideration that this natural frequency depends exclusively on the ratio between the constant of the return torque exerted by the hairspring on the balance and the moment of inertia of the latter , as shown in the following relation:

où F est la fréquence propre de l’oscillateur, C est la constante du couple de rappel exercé par le spiral de l’oscillateur, et I est le moment d’inertie du balancier de l’oscillateur. where F is the natural frequency of the oscillator, C is the constant of the return torque exerted by the balance spring of the oscillator, and I is the moment of inertia of the balance of the oscillator.

[0004] Par exemple, depuis la découverte des alliages à base de Fe-Ni possédant un coefficient thermoélastique, ou coefficient thermique du module de Young (ci-après CTE), positif, la compensation thermique de l’oscillateur mécanique est obtenue en ajustant le CTE du spiral en fonction des coefficients de dilatation thermique du spiral et du balancier. En effet, en exprimant le couple et l’inertie à partir des caractéristiques du spiral et du balancier, puis en dérivant l’équation (1) par rapport à la température, on obtient la variation thermique de la fréquence propre (ou coefficient thermique de la fréquence, ci-après CTF); [0004] For example, since the discovery of Fe-Ni-based alloys having a thermoelastic coefficient, or thermal coefficient of Young's modulus (hereinafter CTE), positive, the thermal compensation of the mechanical oscillator is obtained by adjusting the CTE of the balance-spring as a function of the thermal expansion coefficients of the balance-spring and the balance. Indeed, by expressing the torque and the inertia from the characteristics of the hairspring and the balance, then by deriving equation (1) with respect to the temperature, we obtain the thermal variation of the natural frequency (or thermal coefficient of the frequency, hereinafter CTF);

où αSest le coefficient de dilatation thermique du spiral, et αBest le coefficient de dilatation thermique du balancier. where αS is the coefficient of thermal expansion of the balance spring, and αB is the coefficient of thermal expansion of the balance.

[0005] En ajustant le terme d’autocompensation A = 1/2 (CTE + 3αS) à la valeur du coefficient de dilatation thermique du balancier αB, il est possible d’annuler l’équation (2). Ainsi, la variation thermique de la fréquence propre de l’oscillateur mécanique peut être éliminée. Dans l’équation (2), le CTE du spiral est en pratique beaucoup plus élevé que son coefficient de dilatation thermique, et ce dernier peut être négligé. [0005] By adjusting the self-compensation term A = 1/2 (CTE + 3αS) to the value of the thermal expansion coefficient of the balance αB, it is possible to cancel equation (2). Thus, the thermal variation of the natural frequency of the mechanical oscillator can be eliminated. In equation (2), the CTE of the hairspring is in practice much higher than its coefficient of thermal expansion, and the latter can be neglected.

[0006] Les résonateurs en silicium sont de plus en plus utilisés pour remplacer les oscillateurs à quartz et comme oscillateurs dans les instruments de précision. Par exemple, le silicium est de plus en plus utilisé pour la fabrication de ressort-spiraux et d’autres types de résonateurs pour les mouvements horlogers. [0006] Silicon resonators are increasingly used to replace crystal oscillators and as oscillators in precision instruments. For example, silicon is increasingly used in the manufacture of balance springs and other types of resonators for watch movements.

[0007] Cependant, le CTE du silicium est fortement influencé par la température et une compensation de cet effet est nécessaire pour son utilisation dans des applications horlogères. En effet, le CTE du silicium est de l’ordre de –60x10<–><6>/°C et la dérive thermique d’un ressort spiral en silicium est ainsi d’environ 155 secondes/jour, pour une variation de température de 23 °C +/–15 °C. Cela le rend incompatible avec les exigences horlogères qui sont de l’ordre de 8 secondes/jour. [0007] However, the CTE of silicon is strongly influenced by temperature and compensation for this effect is necessary for its use in horological applications. Indeed, the CTE of silicon is of the order of –60x10 <–> <6> / ° C and the thermal drift of a silicon spiral spring is thus about 155 seconds / day, for a temperature variation. of 23 ° C +/– 15 ° C. This makes it incompatible with watchmaking requirements of around 8 seconds / day.

[0008] Dans le document JP 6 117 470, un ressort en forme de spiral est réalisé en silicium monocristallin. Il est dimensionné de manière à avoir un couple de rappel constant, pour fournir un appareil de mesure électrique de grande précision. Toutefois, ce document est muet quant à la stabilité thermique de la constante du couple de rappel de ce ressort. Il ne peut donc être utilisé directement comme ressort spiral dans une pièce d’horlogerie. [0008] In document JP 6 117 470, a spiral-shaped spring is made of monocrystalline silicon. It is dimensioned so as to have a constant return torque, to provide an electrical measuring device with great precision. However, this document is silent as to the thermal stability of the constant of the return torque of this spring. It cannot therefore be used directly as a spiral spring in a timepiece.

[0009] Le document EP1 422 436 décrit un ressort spiral découpé dans une plaque {001} de silicium monocristallin. Le spiral comporte une couche de SiO2, présentant un CTE opposé à celui du silicium et formée autour de la surface extérieure du spiral, afin de minimiser la dérive thermique de l’ensemble balancier-spiral. Cependant, la présence d’une couche relativement épaisse, autour de 6% la largeur du ressort spiral, résulte dans un spiral avec un état de surface foncé et mat, ayant un aspect inesthétique. [0009] Document EP1 422 436 describes a spiral spring cut from a {001} monocrystalline silicon wafer. The hairspring comprises a layer of SiO2, exhibiting a CTE opposite to that of silicon and formed around the outer surface of the hairspring, in order to minimize the thermal drift of the balance-spring assembly. However, the presence of a relatively thick layer, around 6% the width of the hairspring, results in a hairspring with a dark and dull surface finish, having an unsightly appearance.

[0010] Le brevet CH 699 780 de la demanderesse décrit un ressort spiral en silicium, destiné à équiper un oscillateur mécanique balancier-spiral de mouvement d’horlogerie dont, selon une forme d’exécution, la surface extérieure est dopée de manière à compenser au moins partiellement le coefficient thermique du module de Young du silicium. Le dopage est effectué par un procédé de diffusion chimique ou par un procédé d’implantation ionique à l’aide d’un élément non métallique comme le bore, le phosphore, l’azote, le carbone, ou un élément métallique, ou encore une mixture de ces éléments. [0010] The applicant's patent CH 699 780 describes a silicon spiral spring, intended to equip a mechanical balance-sprung clockwork oscillator, of which, according to one embodiment, the outer surface is doped so as to compensate at least partially the thermal coefficient of the Young's modulus of silicon. Doping is carried out by a chemical diffusion process or by an ion implantation process using a non-metallic element such as boron, phosphorus, nitrogen, carbon, or a metallic element, or a mixture of these elements.

[0011] Le document CH 700 032 mentionne un spiral en silicium pour mouvement d’horlogerie, dopé de façon à compenser les effets des variations de température sur la période de l’oscillateur. Le document mentionne notamment le dopage du ressort en silicium avec du sodium, ou des métaux comme le bore ou le zirconium. [0011] Document CH 700 032 mentions a silicon balance spring for a watch movement, doped so as to compensate for the effects of temperature variations over the period of the oscillator. The document mentions in particular the doping of the silicon spring with sodium, or metals such as boron or zirconium.

Bref résumé de l’inventionBrief summary of the invention

[0012] Pour pallier différents inconvénients de l’état de la technique, l’invention prévoit différents moyens techniques. [0012] To overcome various drawbacks of the state of the art, the invention provides various technical means.

[0013] Selon l’invention, un procédé de fabrication d’un résonateur en silicium thermocompensé pour un mouvement horloger mécanique ou autre instrument de précision, comprenant: déterminer un taux de dopage prédéterminé du silicium de manière à obtenir une valeur de thermocompensation souhaité; ajouter un dopant dans le silicium en quantité suffisante pour obtenir le taux de dopage prédéterminé; cristalliser le silicium dopé; et former le résonateur thermocompensé dans le silicium dopé cristallisé, par exemple par gravure. [0013] According to the invention, a method of manufacturing a thermocompensated silicon resonator for a mechanical watch movement or other precision instrument, comprising: determining a predetermined doping rate of the silicon so as to obtain a desired thermocompensation value; adding a dopant in the silicon in an amount sufficient to obtain the predetermined doping rate; crystallize the doped silicon; and forming the thermocompensated resonator in the crystallized doped silicon, for example by etching.

[0014] Dans un mode de réalisation, l’étape d’ajouter le dopant est réalisée lorsque le silicium est dans la phase liquide. [0014] In one embodiment, the step of adding the dopant is performed when the silicon is in the liquid phase.

[0015] Encore dans un mode de réalisation, le dopant est de type N ou de type P. [0015] Still in one embodiment, the dopant is of type N or of type P.

[0016] Le procédé peut comprendre une ou plusieurs étapes d’ajustement fin du taux de dopage du résonateur de manière à obtenir la thermocompensation souhaitée. Dans ladite une ou plusieurs étapes d’ajustement fin du taux de dopage peut être réalisée avec un dopant de type N ou P. [0016] The method may include one or more steps of fine-tuning the doping rate of the resonator so as to obtain the desired thermocompensation. In said one or more steps of fine adjustment of the doping rate can be carried out with an N or P type dopant.

[0017] Cette solution présente notamment l’avantage par rapport à l’art antérieur de réaliser un taux de dopage du silicium suffisant pour obtenir la thermocompensation souhaitée. Comme le dopage est réalisé de façon homogène dans tout le volume du résonateur, des résonateurs thermocompensés ayant un facteur de qualité Q supérieur et ayant des formes et des épaisseurs variables peuvent être obtenus. Le facteur Q plus élevé viendrait de la suppression des frottements à l’interface Si–SiO2. [0017] This solution has the advantage in particular over the prior art of achieving a sufficient silicon doping rate to obtain the desired thermocompensation. As the doping is carried out homogeneously throughout the volume of the resonator, thermocompensated resonators having a higher quality factor Q and having varying shapes and thicknesses can be obtained. The higher Q factor would come from the elimination of friction at the Si – SiO2 interface.

Brève description des figuresBrief description of the figures

[0018] Des exemples de mise en œuvre de l’invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles: les fig. 1a à 1c illustrent un procédé de fabrication d’un résonateur en silicium thermocompensé, selon un mode de réalisation; et la fig. 2 montre des valeurs de CTE d’un résonateur en silicium dopé en fonction de sa résistivité.[0018] Examples of implementation of the invention are indicated in the description illustrated by the appended figures in which: FIGS. 1a to 1c illustrate a method of manufacturing a thermocompensated silicon resonator, according to one embodiment; and fig. 2 shows CTE values of a doped silicon resonator as a function of its resistivity.

Exemple(s) de mode de réalisation de l’inventionExample (s) of embodiment of the invention

[0019] Selon l’invention, la fabrication d’un résonateur en silicium thermocompensé est basée sur la dépendance du coefficient de température de la fréquence (ci-après CTF) du silicium sur la concentration de dopant dans le silicium. [0019] According to the invention, the manufacture of a thermocompensated silicon resonator is based on the dependence of the temperature coefficient of the frequency (hereinafter CTF) of the silicon on the dopant concentration in the silicon.

[0020] Selon un mode de réalisation, un procédé de fabrication d’un résonateur en silicium thermocompensé comprend les étapes de: déterminer un taux de dopage prédéterminé du silicium de manière à obtenir une valeur de thermocompensation souhaité; ajouter un dopant dans le silicium en quantité suffisante pour obtenir le taux de dopage prédéterminé; cristalliser le silicium dopé; et former le résonateur thermocompensé dans le silicium dopé cristallisé, par exemple par gravure. [0020] According to one embodiment, a method of manufacturing a thermocompensated silicon resonator comprises the steps of: determining a predetermined doping rate of the silicon so as to obtain a desired thermocompensation value; adding a dopant in the silicon in an amount sufficient to obtain the predetermined doping rate; crystallize the doped silicon; and forming the thermocompensated resonator in the crystallized doped silicon, for example by etching.

[0021] Dans un mode de réalisation, l’étape d’ajouter le dopant est réalisée lorsque le silicium est dans la phase liquide. Cela permet d’obtenir des taux de dopage très élevé sur une grande épaisseur de silicium. Le silicium cristallisé peut prendre la forme d’un lingot, généralement cylindrique, ou encore d’un wafer. [0021] In one embodiment, the step of adding the dopant is performed when the silicon is in the liquid phase. This allows very high doping rates to be obtained over a large thickness of silicon. Crystallized silicon can take the form of an ingot, usually cylindrical, or even a wafer.

[0022] Selon une forme d’exécution, le taux de dopage prédéterminé est estimé à partir de la relation entre le CTF du silicium dopé et la concentration de dopant ou dopants. Le CTF du silicium peut être déterminé expérimentalement en fonction de son taux de dopage. La relation entre le CTF et le CTE est donnée par l’équation 2, en faisant l’hypothèse que le coefficient de dilatation thermique du résonateur ne varie pas avec le taux de dopage (voir par exemple, Ashwin et. al., «Température Compensation of Silicon Resonators via Degenerate Doping», IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 59, no.1, 2012). [0022] According to one embodiment, the predetermined doping rate is estimated from the relationship between the CTF of the doped silicon and the concentration of dopant or dopants. The CTF of silicon can be determined experimentally as a function of its doping rate. The relationship between CTF and CTE is given by Equation 2, assuming that the coefficient of thermal expansion of the resonator does not vary with the doping rate (see e.g., Ashwin et. Al., "Temperature Compensation of Silicon Resonators via Degenerate Doping ”, IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 59, no.1, 2012).

[0023] On remarquera ici que le résonateur peut être un ressort-spiral tel que dans un organe réglant conventionnel constitué par l’ensemble balancier-spiral. Cependant, le résonateur peut prendre d’autres formes, notamment une lame vibrante d’un diapason, possiblement en combinaison avec un élément massique. Dans un tel cas, les termes CTF, CTE et αs de l’équation (2) s’appliquent pour le résonateur et, le cas échéant, le terme as s’applique à l’élément massique. [0023] It will be noted here that the resonator may be a balance spring such as in a conventional regulating member constituted by the balance-spring assembly. However, the resonator can take other forms, including a vibrating tuning fork blade, possibly in combination with a mass element. In such a case, the terms CTF, CTE and αs from equation (2) apply for the resonator and, where applicable, the term as applies to the mass element.

[0024] Les étapes menant à former le silicium dopé cristallisé peuvent être réalisées par un procédé de Czochralski. En particulier, le silicium est fondu dans un creuset, par exemple à une température autour de 1425 °C. Le ou les dopants sont ajoutés dans le silicium fondu. Un germe cristallin précisément orienté est plongé dans le silicium fondu. Le germe cristallin est tiré lentement en rotation vers le haut. En contrôlant avec précision les gradients de température, vitesse de traction et de rotation, il est possible d’extraire un grand monocristal, par exemple, sous la forme d’un lingot cylindrique de la masse fondue. The steps leading to forming the crystallized doped silicon can be carried out by a Czochralski process. In particular, the silicon is melted in a crucible, for example at a temperature around 1425 ° C. The dopant (s) are added to the molten silicon. A precisely oriented seed crystal is immersed in the molten silicon. The seed crystal is slowly rotated upwards. By precisely controlling the gradients of temperature, tensile speed and rotation, it is possible to extract a large single crystal, for example, in the form of a cylindrical ingot from the melt.

[0025] Le silicium dopé cristallisé peut ensuite être découpé sous la forme de wafers dans lesquels le résonateur thermocompensé est usiné. The crystallized doped silicon can then be cut in the form of wafers in which the thermocompensated resonator is machined.

[0026] De façon préférée, le silicium est dopé avec un dopant de type N qui permet de compenser positivement le CTF, et donc le CTE, du silicium. Par exemple, l’élément de dopage comprend un élément non métallique tel que le phosphore. L’élément de dopage peut également comprendre un élément métallique tel que Al, As ou Sb, ou une combinaison d’au moins un des éléments non métalliques et/ou métalliques. Alternativement, le silicium peut être dopé avec un dopant de type P tel que le bore, l’azote, Al ou Ga. [0026] Preferably, the silicon is doped with an N-type dopant which makes it possible to positively compensate the CTF, and therefore the CTE, of the silicon. For example, the doping element includes a non-metallic element such as phosphorus. The doping element can also include a metallic element such as Al, As or Sb, or a combination of at least one of the non-metallic and / or metallic elements. Alternatively, the silicon can be doped with a P-type dopant such as boron, nitrogen, Al or Ga.

[0027] Après usinage du résonateur, il est possible de mesurer la thermocompensation du résonateur ainsi obtenu. Par exemple, la fréquence de résonance du résonateur peut être mesurée en fonction de la température (CTF). After machining of the resonator, it is possible to measure the thermocompensation of the resonator thus obtained. For example, the resonant frequency of the resonator can be measured as a function of temperature (CTF).

[0028] Le graphique de la fig. 2 montre des valeurs expérimentales de CTE du résonateur en silicium dopé en fonction de sa résistivité p pour un dopant de type IM (carrés) et pour un dopant de type P (losanges). Il est à noter que ces valeurs peuvent varier selon le type de silicium, notamment selon l’orientation cristallographique pour le silicium monocristallin. Les valeurs de CTE ont été déterminées à l’aide de la relation entre le CTF et le CTE donnée par l’équation (2), connaissant le coefficient de dilatation thermique as du résonateur. Le taux de dopage est proportionnel à la résistivité p. En particulier, une régression linéaire de la relation entre des valeurs de CTE et de la résistivité p du silicium dopé peut être utilisée pour déterminer létaux de dopage. La résistivité p du silicium dopé du résonateur peut être mesurée par une mesure quatre pointes. [0028] The graph of FIG. 2 shows experimental values of CTE of the doped silicon resonator as a function of its p resistivity for an IM type dopant (squares) and for a P type dopant (diamonds). It should be noted that these values may vary depending on the type of silicon, in particular depending on the crystallographic orientation for monocrystalline silicon. CTE values were determined using the relationship between CTF and CTE given by equation (2), knowing the coefficient of thermal expansion as of the resonator. The doping rate is proportional to the resistivity p. In particular, a linear regression of the relationship between CTE values and the p resistivity of doped silicon can be used to determine the doping lethals. The resistivity p of the doped silicon of the resonator can be measured by a four point measurement.

[0029] Dans un mode de réalisation, la thermocompensation optimale du résonateur est obtenue pour un coefficient de dilatation thermique du silicium de l’ordre de 26.53x10<–><6>°C<–><1>. La régression linéaire de la fig. 2 donne une valeur de résistivité p de 1.98x10<–><3>Ω cm permettant de connaître le taux de dopage prédéterminé. [0029] In one embodiment, the optimum thermocompensation of the resonator is obtained for a coefficient of thermal expansion of silicon of the order of 26.53x10 <–> <6> ° C <–> <1>. The linear regression in fig. 2 gives a resistivity p value of 1.98x10 <–> <3> Ω cm allowing the predetermined doping rate to be known.

[0030] Dans le cas où la thermocompensation n’est pas suffisante, le procédé de fabrication peut comporter une étape d’ajustement fin du taux de dopage du résonateur de sorte à obtenir la valeur de thermocompensation souhaitée. Dans l’étape d’ajustement fin, le dopage peut être réalisé notamment par implantation ionique ou diffusion à partir d’une source de dopants solide ou gazeuse. L’ajustement fin du taux de dopage, et donc de la thermocompensation, peut être réalisé de façon itérative, en répétant l’étape de mesure de la fréquence de résonance du résonateur et l’étape d’ajustement fin du taux de dopage, jusqu’à ce que la valeur de thermocompensation souhaitée soit obtenue. [0030] In the event that the thermocompensation is not sufficient, the manufacturing process may include a step of fine-tuning the doping rate of the resonator so as to obtain the desired thermocompensation value. In the fine adjustment step, the doping can be carried out in particular by ion implantation or diffusion from a source of solid or gaseous dopants. The fine adjustment of the doping rate, and therefore of the thermocompensation, can be carried out iteratively, by repeating the step of measuring the resonant frequency of the resonator and the step of fine adjustment of the doping rate, until 'so that the desired thermocompensation value is obtained.

[0031] La ou les étapes d’ajustement fin du taux de dopage peuvent être réalisées avec un dopant de type N ou de type P. [0031] The step or steps of fine adjustment of the doping rate can be carried out with an N-type or P-type dopant.

[0032] Alternativement, il est également possible, pour chacune des étapes d’ajustement fin du taux de dopage, de mesurer la résistivité p du silicium dopé du résonateur de manière à s’assurer que l’on a obtenu le taux de dopage correspondant à la valeur de thermocompensation souhaitée. Alternatively, it is also possible, for each of the steps of fine adjustment of the doping rate, to measure the resistivity p of the doped silicon of the resonator so as to ensure that the corresponding doping rate has been obtained. to the desired thermocompensation value.

[0033] Dans un mode de réalisation préféré illustré aux fig. 1a à 1c , le silicium dopé cristallisé prend la forme d’une couche formée sur une couche d’isolant dans une configuration de type Silicium Sur Isolant (SOI). Dans cette variante, le procédé de fabrication du résonateur peut comprendre: fournir une couche d’un substrat 13, par exemple en silicium; sur le substrat 13, former une couche d’isolant 12, par exemple en oxyde de silicium; sur la couche d’isolant 12, déposer une couche de silicium dopé 10, telle que décrite ci-dessus; sur le silicium dopé 10, déposer un photorésist 11; structurer le photorésist 11 (fig. 1a ); et usiner la couche de silicium dopé au travers des ouvertures 14 du phorésist 11 (fig. 1b ) de manière à former le résonateur 15. [0033] In a preferred embodiment illustrated in FIGS. 1a to 1c, the crystallized doped silicon takes the form of a layer formed on an insulator layer in a Silicon On Insulator (SOI) type configuration. In this variant, the method of manufacturing the resonator can comprise: providing a layer of a substrate 13, for example made of silicon; on the substrate 13, forming an insulating layer 12, for example of silicon oxide; on the insulating layer 12, depositing a doped silicon layer 10, as described above; on the doped silicon 10, depositing a photoresist 11; structure the photoresist 11 (fig. 1a); and machining the doped silicon layer through the openings 14 of the phoresist 11 (fig. 1b) so as to form the resonator 15.

[0034] L’usinage de la couche de silicium dopé peut être réalisé par un procédé de gravure ionique réactive profonde de sorte à former le résonateur sur la couche d’isolant. [0034] The machining of the doped silicon layer can be carried out by a deep reactive ionic etching process so as to form the resonator on the insulating layer.

[0035] Le procédé comprend également une étape de gravure de la couche d’isolant 12 de sorte à libérer le résonateur 15 du substrat 13 (fig. 1c ). The method also comprises a step of etching the insulating layer 12 so as to free the resonator 15 from the substrate 13 (Fig. 1c).

[0036] Le procédé de l’invention peut être utilisé pour fabriquer un résonateur destiné à un mouvement horloger mécanique ou autre instrument de précision. Le résonateur peut prendre la forme d’un ressort-spiral ou encore d’un résonateur de type diapason. [0036] The method of the invention can be used to manufacture a resonator for a mechanical watch movement or other precision instrument. The resonator can take the form of a spiral spring or a tuning fork type resonator.

[0037] Le résonateur de l’invention peut être utilisé dans un organe réglant pour un mouvement horloger mécanique ou autre instrument de précision. [0037] The resonator of the invention can be used in a regulating member for a mechanical watch movement or other precision instrument.

[0038] Contrairement aux méthodes de dopage conventionnellement utilisés pour doper un résonateur horloger en silicium, par exemple par implantation ionique ou par diffusion, le procédé de l’invention permet de réaliser un taux de dopage du silicium suffisant pour obtenir la thermocompensation souhaitée. De plus, le procédé de l’invention permet de doper le silicium de façon homogène dans tout le volume du résonateur. Unlike the doping methods conventionally used for doping a silicon watch resonator, for example by ion implantation or by diffusion, the method of the invention makes it possible to achieve a silicon doping rate sufficient to obtain the desired thermocompensation. In addition, the method of the invention makes it possible to dope the silicon homogeneously throughout the volume of the resonator.

[0039] Cela est avantageux, notamment dans le cas où le résonateur comprend une section qui n’est pas uniforme, notamment dans le cas où le résonateur comportant des formes et des épaisseurs variables, par exemple dans le cas d’un diapason. This is advantageous, in particular in the case where the resonator comprises a section which is not uniform, in particular in the case where the resonator having variable shapes and thicknesses, for example in the case of a tuning fork.

[0040] On rappellera que les techniques connues de thermocompensation du silicium en utilisant une couche d’oxyde à la surface du silicium résulte dans une augmentation significative de la raideur de l’élément ressort en silicium. Avec le procédé de l’invention, la thermocompensation par dopage n’affecte que très marginalement la raideur du résonateur. It will be recalled that the known techniques for thermocompensation of silicon using an oxide layer on the surface of the silicon results in a significant increase in the stiffness of the spring element made of silicon. With the process of the invention, thermal compensation by doping only marginally affects the stiffness of the resonator.

[0041] En comparaison avec les techniques basées sur l’ajout d’une couche d’oxyde à la surface du silicium, le procédé de l’invention permet d’obtenir un résonateur ayant un facteur de qualité Q supérieur, une hystérèse inférieure par la réduction des pertes acoustiques et aux contraintes due à la non-correspondance à l’interface entre la couche de silicium et la couche d’isolant servant à la compensation thermique. In comparison with the techniques based on the addition of an oxide layer to the surface of silicon, the method of the invention makes it possible to obtain a resonator having a higher quality factor Q, a lower hysteresis by reduction of acoustic losses and stresses due to the non-correspondence at the interface between the silicon layer and the insulating layer serving for thermal compensation.

Numéros de référence employés sur les figuresReference numbers used in figures

[0042] 10 silicium dopé 11 photorésist 12 isolant 13 substrat 14 ouverture 15 résonateur10 doped silicon 11 photoresist 12 insulator 13 substrate 14 opening 15 resonator

Claims (14)

1. Procédé de fabrication d’un résonateur en silicium thermocompensé pour un mouvement horloger mécanique ou autre instrument de précision, comprenant: choisir une valeur de thermocompensation souhaitée; déterminer un taux de dopage prédéterminé du silicium à partir d’une relation entre le coefficient thermique de la fréquence (CTF) du silicium dopé et la concentration de dopant ou dopants de manière à obtenir ladite valeur de thermocompensation souhaitée; ajouter un dopant dans le silicium en quantité suffisante pour obtenir le taux de dopage prédéterminé; cristalliser le silicium dopé; et former le résonateur thermocompensé dans le silicium dopé cristallisé.A method of manufacturing a thermocompensated silicon resonator for a mechanical watch movement or other precision instrument, comprising: choose a desired thermocompensation value; determining a predetermined doping rate of the silicon from a relationship between the thermal coefficient of the frequency (CTF) of the doped silicon and the concentration of dopant or dopants so as to obtain said desired thermocompensation value; adding a dopant in the silicon in sufficient quantity to obtain the predetermined doping level; crystallize the doped silicon; and forming the thermocompensated resonator in the crystallized doped silicon. 2. Le procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape d’ajouter le dopant est réalisée lorsque le silicium est dans la phase liquide.2. The method of claim 1, wherein the step of adding the dopant is performed when the silicon is in the liquid phase. 3. Le procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’étape de déterminer un taux de dopage prédéterminé comprend l’utilisation de mesures expérimentales de la thermocompensation du résonateur usiné.The method of claim 1 or 2, wherein the step of determining a predetermined doping rate comprises using experimental measurements of the thermocompensation of the machined resonator. 4. Le procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel l’étape de déterminer un taux de dopage prédéterminé comprend l’utilisation d’une régression linéaire entre des valeurs du coefficient thermoélastique (CTE) du résonateur en silicium dopé et de la résistivité (p) du silicium dopé.The method according to one of claims 1 to 3, wherein the step of determining a predetermined doping rate comprises using a linear regression between values of the thermoelastic coefficient (CTE) of the doped silicon resonator and the resistivity (p) of the doped silicon. 5. Le procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le dopant est de type N ou de type P.5. The method according to one of claims 1 to 4, wherein the dopant is N-type or P-type. 6. Le procédé selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant en outre une ou plusieurs étapes d’ajustement fin du taux de dopage du résonateur par implantation ionique ou diffusion.6. The method according to one of claims 1 to 5, further comprising one or more steps of fine adjustment of the doping rate of the resonator by ion implantation or diffusion. 7. Le procédé selon la revendication 6, dans lequel ladite une ou plusieurs étapes d’ajustement fin du taux de dopage est réalisée avec un dopant de type N ou de type P.The method according to claim 6, wherein said one or more fine-tuning steps of the doping rate is performed with an N-type or P-type dopant. 8. Le procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le taux de dopage prédéterminé permet d’obtenir pour un coefficient de dilatation thermique du silicium de l’ordre de 26.53x10<–><6>°C1.8. The method according to one of claims 1 to 7, wherein the predetermined doping rate provides for a coefficient of thermal expansion of silicon of the order of 26.53x10 <-> <6> ° C1. 9. Le procédé selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel les étapes menant à former le silicium dopé cristallisé sont réalisées par un procédé de Czochralski.9. The method according to one of claims 1 to 8, wherein the steps leading to form the crystallized doped silicon are carried out by a Czochralski process. 10. Le procédé selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel le silicium dopé cristallisé est formé sur une couche d’isolant dans une configuration de type Silicium Sur Isolant (SOI).The method according to one of claims 1 to 9, wherein the crystallized doped silicon is formed on an insulating layer in a Silicon On Insulator (SOI) configuration. 11. Le procédé selon la revendication 11, dans lequel l’étape d’usiner le silicium dopé cristallisé est réalisée par un procédé de gravure ionique réactive profonde de la couche de silicium dopé de sorte à former des résonateurs sur la couche d’isolant.11. The method according to claim 11, wherein the step of machining the crystallized doped silicon is performed by a method of deep reactive ion etching of the doped silicon layer so as to form resonators on the insulating layer. 12. Le procédé selon la revendication 12 comprenant une étape de gravure de la couche d’isolant de sorte à libérer les résonateurs.12. The method of claim 12 comprising a step of etching the insulating layer so as to release the resonators. 13. Résonateur obtenu par le procédé selon l’une des revendications 1 à 13.13. Resonator obtained by the process according to one of claims 1 to 13. 14. Organe réglant pour un mouvement horloger mécanique ou autre instrument de précision comprenant le résonateur selon la revendication 14.14. A regulating member for a mechanical horological movement or other precision instrument comprising the resonator according to claim 14.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP3416001B1 (en) * 2017-06-13 2022-04-13 Patek Philippe SA Genève Method for manufacturing an oscillator with flexible pivot

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