CH710308B1

CH710308B1 - Résonateur en silicium thermocompensé.

Info

Publication number: CH710308B1
Application number: CH01547/15A
Authority: CH
Inventors: Fiaccabrino Jean-Charles; Serpry Anthony
Original assignee: Richemont Int Sa
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2015-10-23
Publication date: 2020-02-28
Also published as: CH710308A2

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 prédéterminer un taux de dopage 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.

Description

Description Domaine technique [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.

Etat de la technique [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.

[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:

F = ¹/2 π (C/l)⁰·⁵ (1) 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.

[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);

CTF = y₂ (CTE + 3as - 2cc_B) (2) où as est le coefficient de dilatation thermique du spiral, et «b est le coefficient de dilatation thermique du balancier.

[0005] En ajustant le terme d’autocompensation A = ¹/z (CTE + 3a_s) à la valeur du coefficient de dilatation thermique du balancier ae, 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.

[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 ressortspiraux et d’autres types de résonateurs pour les mouvements horlogers.

[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 - 60 x 1Ο^ΛΟ 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.

[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, pourfournir 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.

[0009] Le document EP 1 422 436 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.

[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.

[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.

CH 710 308 B1

Bref résumé de l’invention [0012] Pour pallier différents inconvénients de l’état de la technique, l’invention prévoit différents moyens techniques.

[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:

prédéterminer un taux de dopage 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.

[0014] Dans un mode de réalisation, l’étape d’ajouter le dopant est réalisée lorsque le silicium est dans la phase liquide.

[0015] Encore dans un mode de réalisation, le dopant est de type N ou de 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. Ladite une ou plusieurs étapes d’ajustement fin du taux de dopage peut être réalisée avec un dopant de type N ou P.

[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.

Brève description des 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.

Exemple(s) de mode de réalisation de l’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.

[0020] Selon un mode de réalisation, un procédé de fabrication d’un résonateur en silicium thermocompensé comprend les étapes de:

[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.

[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., «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

CH 710 308 B1 vibrante d’un diapason, possiblement en combinaison avec un élément massique. Dans un tel cas, les termes CTF, CTE et as de l’équation (2) s’appliquent pour le résonateur et, le cas échéant, le terme α.β s’applique à l’élément massique.

[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.

[0025] Le silicium dopé cristallisé peut ensuite être découpé sous la forme de wafers dans lesquels le résonateur thermocompensé est usiné.

[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.

[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).

[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 N (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.

[0029] Dans un mode de réalisation, la thermocompensation optimale du résonateur est obtenue pour un CTE du silicium de l’ordre de 26.53 x 10^-6 °C^-1. La régression linéaire de la fig. 2 donne une valeur de résistivité p de 1.98 x 10^-3 Ω cm permettant de prédéterminer le taux de dopage.

[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.

[0031] La ou les étape(s) d’ajustement fin du taux de dopage peut/peuvent être réalisée(s) avec un dopant de type N ou de type P.

[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.

[0033] Dans un mode de réalisation préféré illustré aux fig. 1 a à 1 c, 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.

[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.

CH 710 308 B1 [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).

[0036] Le procédé de l’invention peut être utilisé pourfabriquer un résonateurdestiné 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.

[0037] Le résonateur de l’invention peut être utilisé dans un organe réglant pour un mouvement horloger mécanique ou autre instrument de précision.

[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. 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.

[0039] On rappellera que les techniques connues de thermocompensation du silicium en utilisant une couche d’oxyde à la surface du silicium résultent 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.

[0040] 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.

Numéros de référence employés sur les figures [0041] silicium dopé photorésist isolant substrat ouverture résonateur

Claims

Revendications

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, ladite valeur de thermocompensation permettant d’ajuster le CTF, abréviation du coefficient thermique de la fréquence, du silicium;

prédéterminer un taux de dopage du silicium à partir d’une relation entre le 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.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape d’ajouter le dopant est réalisée lorsque le silicium est dans la phase liquide.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’étape de prédéterminer un taux de dopage comprend l’utilisation de mesures expérimentales de la thermocompensation de résonateurs usinés.
4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel l’étape de prédéterminer un taux de dopage comprend l’utilisation d’une régression linéaire entre des valeurs du CTE, abréviation du coefficient thermoélastique, du résonateur en silicium dopé et de la résistivité (p) du silicium dopé.
5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le dopant est de type N ou de type P.
6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant en outre, dans le cas où la thermocompensation n’est pas suffisante, une ou plusieurs étape(s) d’ajustement du taux de dopage du résonateur par implantation ionique ou diffusion.

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7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel ladite une ou plusieurs étape(s) d’ajustement fin du taux de dopage est/sont réalisée(s) avec un dopant de type N ou de type P.
8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le taux de dopage prédéterminé permet d’obtenir un CTE, abréviation du coefficient thermoélastique, du silicium de l’ordre de 26.53 x 10^-6 °C^-1.
9. 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.
10. 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.
11. Procédé selon la revendication 10, 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.
12. Procédé selon la revendication 11, comprenant une étape de gravure de la couche d’isolant de sorte à libérer les résonateurs.
13. Résonateur obtenu par le procédé selon l’une des revendications 1 à 12.
14. Organe réglant pour un mouvement horloger mécanique ou autre instrument de précision comprenant le résonateur selon la revendication 13.