WO2018104247A1 - Composant horloger presentant des proprietes tribologiques ameliorees et methode d'optimisation des proprietes tribologiques d'un composant horloger - Google Patents

Composant horloger presentant des proprietes tribologiques ameliorees et methode d'optimisation des proprietes tribologiques d'un composant horloger Download PDF

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WO2018104247A1
WO2018104247A1 PCT/EP2017/081407 EP2017081407W WO2018104247A1 WO 2018104247 A1 WO2018104247 A1 WO 2018104247A1 EP 2017081407 W EP2017081407 W EP 2017081407W WO 2018104247 A1 WO2018104247 A1 WO 2018104247A1
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WO
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substrate
ions
implanted
protective layer
layer
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PCT/EP2017/081407
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Frédéric Dreyer-Gonzales
Arnaud HOURIET
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Officine Panerai Ag
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B15/00—Escapements
    • G04B15/14—Component parts or constructional details, e.g. construction of the lever or the escape wheel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10N—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS C10M RELATING TO LUBRICATING COMPOSITIONS
    • C10N2030/00—Specified physical or chemical properties which is improved by the additive characterising the lubricating composition, e.g. multifunctional additives
    • C10N2030/06—Oiliness; Film-strength; Anti-wear; Resistance to extreme pressure
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10N—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS C10M RELATING TO LUBRICATING COMPOSITIONS
    • C10N2040/00—Specified use or application for which the lubricating composition is intended
    • C10N2040/06—Instruments or other precision apparatus, e.g. damping fluids

Definitions

  • the present invention relates to the field of watchmaking. More particularly, it concerns a watch component intended to undergo dynamic friction and having improved tribological properties, as well as a method for optimizing the tribological properties of such a watch component.
  • This material also has the advantage of interesting tribological properties, which have suggested that it would be possible to rub one on the other two silicon parts, without having to resort to lubrication. Indeed, the interaction between moving parts, which is necessary for the operation of a clock mechanism, induces friction that is harmful to the performance of the mechanism and wear parts. It is therefore necessary to lubricate the parts of the components that undergo this friction. However, the oils traditionally used age and degrade, posing problems of maintenance of the movement, in particular.
  • improved tribological properties is meant a reduction in the coefficient of friction, a reduction in wear with respect to a given stress or given conditions (surface condition, hygrometry, temperature, topology, etc.).
  • the present invention aims to provide an alternative to the methods proposed above, to obtain a watch component intended to undergo dynamic friction, which has improved tribological properties, including the implementation of ion implantation certain elements under special conditions.
  • CH709628 did not favor, and in some cases pejorate, the tribological properties of the spiral spring. As part of a spiral spring, such adverse effects on the tribological properties are of no importance, since such components do not undergo any dynamic friction during their operation, and therefore do not suggest a solution to the aforementioned problem.
  • the invention relates to a watch component intended to undergo dynamic friction during its normal operation, made based on a substrate comprising a silicon layer whose crystallographic structure comprises at least one of monocrystalline, polycrystalline or amorphous forms, said substrate being reinforced by a protective layer formed on its surface during a protective operation of the substrate, said component having at least one ionically implanted zone, this zone lying in the protective layer , in the substrate or distributed between the protective layer and the substrate.
  • Distributed includes a single zone disposed astride between the protective layer and the silicon layer, that is to say shared between these two layers, or several implanted zones arranged in one and the other of the different layers respectively.
  • the ionically implanted zone is shared between the substrate and the protective layer, the substrate having an implantation in ion number greater than the protective layer.
  • Another independent claim relates to a watch movement comprising at least one such watch component.
  • the invention finally relates to a method for optimizing the tribological properties of a watch component intended to undergo dynamic friction during its normal operation, made based on a substrate comprising a silicon layer whose crystallographic structure comprises at least one of the monocrystalline, polycrystalline or amorphous forms, said substrate being reinforced by a protective layer formed on its surface during a protective operation of the substrate, said method comprising a step of ion implantation of at least one ion, by ion bombardment on the surface of said component.
  • FIG. 1 illustrates the friction measured with a watch component implanted ionically at different doses, in FIG. function of the distance (in m) traveled in contact with the component by a ruby sphere,
  • FIG. 2 illustrates the evolution of the average coefficient of friction measured under the conditions of FIG. 1 for a watch component according to the invention, as a function of the implantation dose
  • FIGS. 3, 4, 5 and 6 represent different possibilities. implantation in a substrate, and
  • FIGS 7, 8 and 9 propose different substrate configurations that may be suitable for the implementation of the invention.
  • a toothed wheel meshing with another undergoes a dynamic friction at the surfaces of contact of its teeth, which is also the case between the certain components of the exhaust, including an anchor, an anchor wheel or the part of a resonator undergoing friction, such as a plateau pin, which undergo dynamic friction where they interact with neighboring components.
  • a spiral spring being integral on the one hand with its peg and on the other hand with the balance shaft, it undergoes no dynamic friction in the sense of the invention and is therefore excluded from its scope since no Relative displacement is present at the points of contact between the spring and the components with which it interacts.
  • silicon layer includes substrates for which, within the layer, the silicon does not form an atomic bond with other atoms.
  • the different crystallographic natures of silicon are included in the scope of the invention and dopings or possible impurities present in the substrate are also possible and encompassed within the scope of the claims.
  • a single layer of silicon, forming a silicon core, is also included in the scope of protection.
  • this protective layer is obtained by an effective protective operation and a natural oxidation layer is not not a protective layer within the meaning of the present application, because it does not result from a protective operation as such, performed effectively and positively.
  • a protective layer made of S1O2 obtained by an oxidation step measured at least 50 nm thick, which can not be obtained with natural oxidation.
  • FIG. 7 the substrate takes the form of a single layer of silicon 10, covered with a protective layer 12.
  • FIG. 8 the substrate takes the form of two layers of silicon 10, separated and covered with a protective layer 12.
  • the substrate comprises a core 14 covered with a silicon layer 10 whose thickness is such that its tribological properties are equivalent to those of a silicon substrate.
  • the protective layer 12 covers the silicon layer.
  • the thickness of the silicon layer is greater than the ion implantation depth, so that the ions do not penetrate the core.
  • the invention relates to a watch component made from a substrate comprising a silicon layer whose crystallographic structure comprises at least one of polycrystalline or amorphous monocrystalline, said substrate being reinforced by a layer of protection performed on its surface during a substrate protection operation, said component having at least one implanted zone ionically, this area being in the protective layer, in the substrate or distributed between the protective layer and the substrate.
  • the ionically implanted zone 16 is shared between the substrate, illustrated here in the form of a single silicon layer 10, and the protective layer 12, the substrate having an implantation (in number of ions ) greater than the protective layer.
  • Figure 4 shows such a configuration. It is found, more specifically, that the ions present in the protective layer are few or very few and that they are essentially concentrated in a specific area of the substrate.
  • ion bombardment for example, ion beam, MEWA - Metal Vapor Vacuum Arc
  • the ion density curve as a function of the depth of the component forms a narrow Gaussian showing this concentration in a region. precise.
  • the implanted area is located at least in the substrate.
  • the implanted zone 16 is located only in the protective layer 12 ( Figure 5). This is particularly the case with a protective layer having a thickness greater than the implantation depth obtained with a given energy. More commonly, the implanted area is located at least in the protective layer.
  • the ionically implanted zone may be located either in the protective layer only, or in the substrate only or shared between the protective layer and the substrate, that is to say in the region of the interface between the protective layer and the substrate.
  • Figure 1 shows the coefficient of friction of a substrate on a ruby sphere, rolling on the substrate over a distance of 100m (abscissa). The first few centimeters of the curve correspond to a break-in and the establishment of regular conditions, and are not significant.
  • Curve A is the reference curve, obtained for a substrate without ion implantation.
  • Curve B is obtained for an identical substrate, implanted ionically with a dose of C ions of 2.10 17 ions / cm 2 , with an energy of 600keV.
  • Curve C is obtained for an identical substrate, implanted ionically with a dose of C ions of 1.10 18 ions / cm 2 , with an energy of 600keV.
  • Figure 2 shows the average coefficients of friction measured under conditions similar to those of Figure 1, except the energy which is in this case 35keV, depending on the implantation dose, and on different substrates. with a layer of S1O2 of different thickness, which explains the results not comparable directly.
  • the effects obtained with a dose of 5.10 17 ions / cm 2 are already interesting.
  • the values of the curve in are treated as extrapolations.
  • nitrogen ions can be implanted in the protective layer, in the substrate, or in the region of the interface between the substrate and the protective layer, predominantly in the substrate, or only in the substrate if the energy is sufficient.
  • ionically implanted components as proposed above, to produce components subject to repeated or significant shocks or friction, in particular the components of the escapement, in particular an anchor, an anchor wheel or part of a resonator undergoing friction, such as a plateau pin.
  • ions could be implanted in order to achieve the desired effect, including ions included in the list comprising boron, argon, oxygen, carbon dioxide, fluorine, phosphorus, sulfur, neon or metal ions such as aluminum and some noble metals such as palladium, silver, gold, etc.
  • the invention also relates to a watch movement comprising one or more of these components.
  • the performance of a watch movement thus equipped will be improved and its power reserve, for a given barrel, increased.
  • the invention also relates to the method for implanting the components described above, also defining a method for optimizing the tribological properties of a watch component as mentioned above, made based on a substrate comprising a silicon layer 10 whose crystallographic structure comprises at least one of the monocrystalline, polycrystalline or amorphous forms, said substrate being reinforced by a protective layer 12 formed on its surface during a protective operation of the substrate.
  • the method comprises a step of ion implantation of at least one ion, by ion bombardment on the surface of said component.
  • the implantation step may be performed with C ions at a dose greater than 5.10 17 ions / cm 2 , preferably greater than 1.10 18 ions / cm 2 and with an energy greater than 600keV, or with N ions, at a dose greater than 1.10 16 ions / cm 2 and with an energy higher than 600keV.
  • Implantation is performed on the components when, after etching, they have been detached from the base wafer in which they are etched.
  • the areas of the components that are relevant to treat the tribological level are the side faces that, in general in the watch industry, are those that are exposed to friction.
  • the side faces are not yet defined and therefore not accessible either to perform the protection operation, fundamental in the present application.
  • the components it is nevertheless possible for the components to remain integral with the wafer or part of the wafer, at least at one point, to allow batch manipulation of the components, the components being easily separable from the support. formed by the wafer, for example by breaking the junction between the wafer and the component, after the latter has undergone the protection and ion implantation operations.
  • the side flanks of the components can pass anywhere in the crystallographic mesh.
  • the ion implantation is directional and the ion bombardment may have a variable angle of incidence on the lateral faces of the component, a tribological improvement is obtained which is averaged over the entire lateral surface. of the component and that is significant. Therefore, the method proposed in this application is applicable with substrates of any crystallographic orientation, since at the side surfaces the part can take any crystallographic orientation.

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Abstract

La présente invention concerne un composant horloger destiné à subir un frottement dynamique, réalisé à base d'un substrat comprenant une couche de silicium (10) dont la structure cristallographique comprend au moins l'une des formes monocristalline, polycristalline ou amorphe, ledit substrat étant renforcé par une couche de protection (12) réalisée à sa surface au cours d'une opération de protection du substrat, ledit composant présentant au moins une zone implantée ioniquement (16), cette zone se situant dans la couche de protection, dans le substrat ou répartie entre la couche de protection et le substrat.

Description

Description
COMPOSANT HORLOGER PRESENTANT DES PROPRIETES TRIBOLOGIQUES AMELIOREES ET METHODE D'OPTIMISATION DES PROPRIETES
TRIBOLOGIQUES D'UN COMPOSANT HORLOGER
Domaine technique
[0001] La présente invention se rapporte au domaine de l'horlogerie. Elle concerne, plus particulièrement, un composant horloger destiné à subir un frottement dynamique et présentant des propriétés tribologiques améliorées, ainsi qu'une méthode d'optimisation des propriétés tribologiques d'un tel composant horloger.
Etat de la technique
[0002] Dans les évolutions récentes de l'horlogerie, les nouveaux matériaux et les techniques de microfabrication ont ouvert de nouvelles voies de développement. Notamment, l'utilisation de silicium pour réaliser des composants horlogers destinés à subir des frottements dynamiques a permis de réaliser des pièces aux formes complexes, intégrant plusieurs fonctions dans une seule pièce.
[0003] Ce matériau présente également l'avantage d'avoir des propriétés tribologiques intéressantes, qui ont laissé penser qu'il serait possible de faire frotter l'une sur l'autre deux pièces en silicium, sans devoir recourir à une lubrification. En effet, l'interaction entre des pièces en mouvement, qui est nécessaire au fonctionnement d'un mécanisme horloger, induit des frottements qui sont néfastes au rendement du mécanisme et qui usent les pièces. Il est donc nécessaire de lubrifier les parties des composants qui subissent ces frottements. Or, les huiles utilisées traditionnellement vieillissent et se dégradent, posant des problèmes d'entretien du mouvement, notamment.
[0004] Jusqu'à ce jour, l'utilisation de silicium sans huilage permet de faire fonctionner des mouvements horlogers ou certaines parties de mécanisme, mais sans remplir tout le cahier des charges permettant un fonctionnement sur une longue période, compatible avec une utilisation quotidienne.
[0005] Les recherches menées récemment ont tenté d'optimiser les lubrifiants utilisés, ou de proposer des structures permettant d'améliorer la diffusion d'huile au niveau des zones de frottements de pièces en silicium. D'autres recherches ont visé également à développer des couches de matériaux, destinées à revêtir les zones de frottement, afin de proposer une lubrification dite sèche, c'est-à-dire n'employant pas de lubrifiant liquide, mais permettant d'améliorer les propriétés tribologiques d'un composant, dans les zones ainsi revêtues.
[0006] Par propriétés tribologiques améliorées, on entend une réduction du coefficient de frottement, une réduction de l'usure par rapport à une contrainte donnée ou à des conditions données (état de surface, hygrométrie, température, topologie, etc .).
[0007] La présente invention a pour but de proposer une alternative aux méthodes proposées précédemment, permettant d'obtenir un composant horloger destiné à subir un frottement dynamique, qui présente des propriétés tribologiques améliorées, notamment par la mise en œuvre de l'implantation ionique de certains éléments dans des conditions particulières.
[0008] En effet, l'implantation ionique sur un type particulier de composant horloger réalisé en silicium a déjà été proposée (voir par exemple les documents CH708067, CH709628 et CH699780), ceci afin de procéder à des modifications des propriétés thermoélastiques d'un ressort spiral pour organe réglant, et non pour l'amélioration de ses propriétés tribologiques. Or, ces documents ne font état que de peu d'informations quant aux paramètres de mise en œuvre ainsi que certaines caractéristiques résultantes de la pièce. En effet, dans le cas de cette application très particulière, il s'agit de faire varier des rapports volumétriques entre les zones implantées et celles non implantées, et c'est la concentration, exprimée en ions/cm3 (ou en at/cm3) qui prime. Il semble notamment que les paramètres énoncés dans le document
CH709628 ne favorisaient pas, voir péjoraient dans certains cas, les propriétés tribologiques du ressort spiral. Dans le cadre d'un ressort spiral, de tels effets néfastes sur les propriétés tribologiques n'ont pas la moindre importance, puisque de tels composants ne subissent aucun frottement dynamique lors de leur fonctionnement, et ne suggèrent donc pas une solution au problème susmentionné.
Divulguation de l'invention
[0009] De façon plus précise, l'invention concerne un composant horloger destiné à subir un frottement dynamique lors de son opération normal, réalisé à base d'un substrat comprenant une couche de silicium dont la structure cristallographique comprend au moins l'une des formes monocristalline, polycristalline ou amorphe, ledit substrat étant renforcé par une couche de protection réalisée à sa surface au cours d'une opération de protection du substrat, ledit composant présentant au moins une zone implantée ioniquement, cette zone se situant dans la couche de protection, dans le substrat ou répartie entre la couche de protection et le substrat. Le terme
« répartie » englobe une seule zone disposée à cheval entre la couche de protection et la couche de silicium, c'est-à-dire partagée entre ces deux couches, ou plusieurs zones implantées disposées dans l'une et l'autre des différentes couches respectivement.
[0010] De préférence, la zone implantée ioniquement est partagée entre le substrat et la couche de protection, le substrat présentant une implantation en nombre d'ions supérieure à la couche de protection.
[001 1] Une autre revendication indépendante concerne un mouvement horloger comprenant au moins un tel composant horloger.
[0012] L'invention concerne enfin une méthode d'optimisation des propriétés tribologiques d'un composant horloger destiné à subir un frottement dynamique lors de son opération normal, réalisé à base d'un substrat comprenant une couche de silicium dont la structure cristallographique comprend au moins l'une des formes monocristalline, polycristalline ou amorphe, ledit substrat étant renforcé par une couche de protection réalisée à sa surface au cours d'une opération de protection du substrat, ladite méthode comprenant une étape d'implantation ionique d'au moins un ion, par bombardement ionique à la surface dudit composant.
Brève description des dessins
[0013] D'autres détails de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés dans lequel : la figure 1 illustre les frottements mesurés avec un composant horloger implanté ioniquement à différentes doses, en fonction de la distance (en m) parcourue au contact du composant par une sphère en rubis,
la figure 2 illustre l'évolution du coefficient de frottement moyen mesuré dans les conditions de la figure 1 pour un composant horloger selon l'invention, en fonction de la dose d'implantation, les figures 3, 4, 5 et 6 représentent différentes possibilités d'implantation dans un substrat, et
les figures 7, 8 et 9 proposent différentes configurations de substrat pouvant convenir à la mise en œuvre de l'invention.
Mode de réalisation de l'invention
[0014] Les récentes recherches menées par la déposante sur l'amélioration des propriétés tribologiques de composants horlogers destinés à subir un frottement dynamique, particulièrement de composants réalisés à base d'un substrat comprenant une couche de silicium ont permis de montrer que l'implantation ionique permettait d'obtenir des résultats prometteurs. Les composants concernés sont destinés à interagir dynamiquement avec un autre composant afin de transmettre une fonction cinématique l'un à l'autre. Ceci s'effectue par contact dynamique entre les éléments, c'est-à-dire par un contact qui se varie lors d'au moins une partie du temps de l'interaction et qui ne reste pas toujours statique. En d'autres termes, cette transmission implique l'engendrement d'un déplacement relatif entre les deux composants à leurs points de contact, ce contact générant des forces de réaction et ainsi des frottements dynamiques à ces endroits. Une roue dentée engrenant avec une autre subit donc un frottement dynamique au niveau des surfaces de contact de sa denture, ce qui est également le cas entre les certains composants de l'échappement, notamment une ancre, une roue d'ancre ou la partie d'un résonateur subissant des frottements, telle qu'une cheville de plateau, qui subissent des frottements dynamiques aux endroits où ils interagissent avec des composants voisins. Par contre, un ressort spiral étant solidaire d'une part avec son piton et d'autre part avec l'axe de balancier, il ne subit aucun frottement dynamique dans le sens de l'invention et est donc exclu de sa portée puisqu'aucun déplacement relatif n'est présent aux points de contact entre le ressort et les composants avec lesquels il interagit.
[0015] Dans la présente demande, l'expression « couche de silicium » englobe des substrats pour lesquels, au sein de la couche, le silicium ne forme pas de liaison atomique avec d'autres atomes. Les différentes natures cristallographiques du silicium (monocristallin, polycristallin et amorphe, seules ou en combinaison) sont comprises dans la portée de l'invention et des dopages ou d'éventuelles impuretés présentes dans le substrat sont également possibles et englobés dans la portée des revendications. Une couche unique de silicium, formant un noyau de silicium, est également comprise dans la portée de la protection.
[0016] Un tel résultat était inattendu, car la fragilité des substrats à base de silicium rend nécessaire l'utilisation d'une couche de protection sur les substrats, afin de pouvoir les manipuler et les utiliser. Ainsi, qu'il s'agisse de substrats réalisés en silicium monocristallin, en silicium polycristallin ou en silicium amorphe, dans le domaine de l'horlogerie, ces substrats subissent toujours une opération de protection au cours de laquelle une couche de protection est réalisée à la surface du substrat, par modification du substrat. Ces couches de protection peuvent être une couche d'oxyde obtenue par oxydation du substrat ou une couche de nitrure obtenue par nitruration du substrat. On peut encore envisager que la couche de protection soit obtenue par dépôt.
[0017] Comme mentionné, cette couche de protection est obtenue par une opération effective de protection et une couche d'oxydation naturelle n'est pas une couche de protection au sens de la présente demande, car elle ne résulte pas d'une opération de protection en tant que telle, réalisée de manière effective et positive.
[0018] A titre d'exemple, une couche de protection réalisée en S1O2 obtenue par une étape d'oxydation, mesure au moins 50 nm d'épaisseur, ce qui ne peut être obtenu avec une oxydation naturelle.
[0019] Ainsi, la présence d'une couche de protection, avec comme conséquence le fait que le silicium n'est pas directement à l'extérieur du composant, en contact avec les autres composants horlogers avec lesquels il peut interagir, fait qu'il était difficile d'anticiper les effets d'une implantation ionique dans le substrat, plus généralement à la surface du composant.
[0020] Les figures 7, 8 et 9 représentent ainsi différentes configurations de substrat et de couche de protection pouvant être mises en œuvre dans le cadre de l'invention. A la figure 7, le substrat prend la forme d'une couche simple de silicium 10, recouvert d'une couche de protection 12. A la figure 8, le substrat prend la forme de deux couches de silicium 10, séparées et recouvertes d'une couche de protection 12. On pourrait ainsi avoir une alternance de plusieurs couches de silicium. Enfin, à la figure 9, le substrat comprend un noyau 14 recouvert d'une couche de silicium 10 dont l'épaisseur est telle que ses propriétés tribologiques sont équivalentes à celles d'un substrat en silicium. La couche de protection 12 recouvre la couche de silicium. De préférence, l'épaisseur de la couche de silicium est supérieure à la profondeur d'implantation ionique, de manière à ce que les ions ne pénètrent pas dans le noyau.
[0021] Ainsi, l'invention concerne un composant horloger réalisé à base d'un substrat comprenant une couche de silicium dont la structure cristallographique comprend au moins l'une des formes monocristalline, polycristalline ou amorphe, ledit substrat étant renforcé par une couche de protection réalisée à sa surface au cours d'une opération de protection du substrat, ledit composant présentant au moins une zone implantée ioniquement, cette zone se situant dans la couche de protection, dans le substrat ou répartie entre la couche de protection et le substrat.
[0022] De manière avantageuse, la zone implantée ioniquement 16 est partagée entre le substrat, illustré ici en la forme d'une simple couche de silicium 10, et la couche de protection 12, le substrat présentant une implantation (en nombre d'ions) supérieure à la couche de protection. La figure 4 présente une telle configuration. On constate, plus précisément, que les ions présents dans la couche de protection sont peu, voire très peu nombreux et qu'ils sont essentiellement concentrés dans une zone précise du substrat. Dans le cas d'une implantation ionique effectuée par bombardement ionique (par exemple, ion beam, MEWA - Métal Vapor Vacuum Arc), la courbe de densité des ions en fonction de la profondeur du composant forme une gaussienne étroite montrant cette concentration dans une région précise. Dans le cas d'une implantation ionique effectuée sous atmosphère plasma (par exemple, Plasma Immersion Ion Implantation), la répartition se fera avec une concentration d'ions à tendance décroissante en fonction de la profondeur atteinte. Selon les substrats à traiter et la complexité de la géométrie, l'une au l'autre de ces méthodes générales peut être préférable, voire, une combinaison des deux.
[0023] On ne peut exclure que, avec une implantation sous une énergie suffisante, il soit possible de n'avoir des ions que dans le substrat (couche de silicium 10) et pas dans la couche de protection 12 (figure 3). De manière plus courante, la zone implantée est située au moins dans le substrat.
[0024] L'inverse est également possible, c'est-à-dire que la zone implantée 16 soit située uniquement dans la couche de protection 12 (figure 5). C'est notamment le cas avec une couche de protection présentant une épaisseur plus importante que la profondeur d'implantation obtenue avec une énergie donnée. De manière plus courante, la zone implantée est située au moins dans la couche de protection.
[0025] Ainsi, la zone implantée ioniquement peut être située soit dans la couche de protection uniquement, soit dans le substrat uniquement ou partagée entre la couche de protection et le substrat, c'est-à-dire dans la région de l'interface entre la couche de protection et le substrat.
[0026] Notamment en raison des modifications structurelles ou cristallographiques, ou des modifications des interactions entre le substrat et la couche de protection, dues à l'implantation ionique, les propriétés tribologiques d'un tel composant implanté, sont améliorées.
[0027] On a notamment constaté une amélioration des propriétés tribologiques de composants horlogers présentant une zone implantée ioniquement majoritairement, ou même uniquement avec des ions C, implantés avec une dose supérieure à 5.1017 ions/cm2, de préférence supérieure à 1.1018 ions/cm2.
[0028] Ainsi, la figure 1 montre le coefficient de frottement d'un substrat sur une sphère en rubis, roulant sur le substrat sur une distance de 100m (en abscisse). Les premiers centimètres de la courbe correspondent à un rodage et à la mise en place de conditions régulières, et ne sont pas significatifs. La courbe A est celle de référence, obtenue pour un substrat sans implantation ionique. La courbe B est obtenue pour un substrat identique, implanté ioniquement avec une dose d'ions C de 2.1017 ions/cm2, avec une énergie de 600keV. La courbe C est obtenue pour un substrat identique, implanté ioniquement avec une dose d'ions C de 1.1018 ions/cm2, avec une énergie de 600keV. On constate que le coefficient de frottement de l'échantillon représenté sur la courbe B présente un coefficient de frottement plus élevé que l'échantillon de référence, alors que l'implantation ionique de la courbe C permet de diminuer ce coefficient de frottement sur quasiment toute la longueur du trajet parcouru par la sphère.
[0029] La figure 2 montre les coefficients de frottement moyens mesurés dans des conditions similaires à celles de la figure 1 , hormis l'énergie qui est dans ce cas de 35keV, en fonction de la dose d'implantation, et sur des substrats différents avec une couche de S1O2 d'épaisseur différente, ce qui explique les résultats non comparables directement. Les effets obtenus avec une dose de 5.1017 ions/cm2 sont déjà intéressants. Les valeurs de la courbe en traitillé sont des extrapolations. D'autre part, aucune mesure entre le substrat non implanté (dose = 0.1016 ions/cm2) et une dose de 25.1016 ions/cm2 n'a été effectuée, et les résultats sur un autre échantillon donnant des résultats non linéaires (péjoration avant amélioration), aucune extrapolation ne peut être proposée.
[0030] D'autres tests ont permis de montrer qu'une implantation réalisée majoritairement, ou même uniquement avec des ions N, avec une dose > 1.1016 ions/cm2, permettait également d'améliorer les propriétés tribologiques d'un composant réalisé à base d'un substrat à base de silicium, notamment son coefficient de frottement.
[0031] Tout comme avec le carbone, les ions azote peuvent être implantés dans la couche de protection, dans le substrat, ou dans la région de l'interface entre le substrat et la couche de protection, majoritairement dans le substrat, voire uniquement dans le substrat si l'énergie est suffisante.
[0032] Dans une variante avantageuse, on peut implanter de manière combinée des ions C et des ions N, soit alternativement, soit simultanément, selon le type d'installation utilisé.
[0033] On pourra, de préférence, utiliser des composants implantés ioniquement, tels que proposés ci-dessus, pour réaliser des composants soumis à des chocs ou des frottements répétés ou importants, notamment les composants de l'échappement, notamment une ancre, une roue d'ancre ou la partie d'un résonateur subissant des frottements, telle qu'une cheville de plateau.
[0034] Sans sortir du cadre de l'invention, d'autres ions pourraient être implantés dans le but d'atteindre l'effet recherché, notamment des ions compris dans la liste comprenant le bore, l'argon, l'oxygène, le fluor, le phosphore, le souffre, le néon ou encore des ions métalliques tels que l'aluminium et certains métaux nobles tels que le palladium, l'argent, l'or, etc.
[0035] L'invention concerne également un mouvement horloger comprenant un ou plusieurs de ces composants. Le rendement d'un mouvement horloger ainsi équipé sera amélioré et sa réserve de marche, pour un barillet donné, augmentée. Parmi les différents composants mis en œuvre, on pourra combiner les traitements d'implantation ionique, d'un composant à un autre. Ainsi, on pourra, par exemple, avoir une ancre implantée avec des ions C et une roue d'ancre implantée avec des ions C, mais avec une dose différente, ou alors implantée avec des ions N, ou un mélange d'ions N et C.
[0036] L'invention concerne également le procédé d'implantation des composants décrits ci-dessus, définissant également une méthode d'optimisation des propriétés tribologiques d'un composant horloger tel que mentionné ci- dessus, réalisé à base d'un substrat comprenant une couche de silicium 10 dont la structure cristallographique comprend au moins l'une des formes monocristalline, polycristalline ou amorphe, ledit substrat étant renforcé par une couche de protection 12 réalisée à sa surface au cours d'une opération de protection du substrat. Selon l'invention, la méthode comprend une étape d'implantation ionique d'au moins un ion, par bombardement ionique à la surface dudit composant.
[0037] Ainsi, l'étape d'implantation peut être effectuée avec des ions C, à une dose supérieure à 5.1017 ions/cm2, de préférence supérieure à 1.1018 ions/cm2 et avec une énergie supérieure à 600keV, ou avec des ions N, à une dose supérieure à 1.1016 ions/cm2 et avec une énergie supérieure à 600keV.
[0038] L'implantation est réalisée sur les composants lorsque, après gravure, ils ont été détachés du wafer de base dans lequel ils sont gravés. En effet, les zones des composants qu'il est pertinent de traiter au niveau tribologique, sont les faces latérales qui, en général dans l'horlogerie, sont celles qui sont exposées aux frottements. Ainsi, au niveau du wafer, non seulement ces faces latérales ne sont pas encore définies et donc pas accessibles non plus pour pouvoir réaliser l'opération de protection, fondamentale dans la présente demande. Pour des raisons de commodité de manipulation, il est néanmoins possible que les composants restent solidaires du wafer ou d'une partie du wafer, au moins en un point, pour permettre une manipulation par batch des composants, les composants pouvant être séparés aisément du support formé par le wafer, par exemple en cassant la jonction entre le wafer et le composant, après que ce dernier ait subit les opérations de protection et d'implantation ionique.
[0039] On notera que, du côté des faces latérales des composants, en fonction de la structure cristallographique du wafer, on aura des flancs non homogènes au niveau cristallographique. Par exemple, avec un wafer 1 1 1 , les flancs latéraux des composants peuvent passer à tout endroit de la maille cristallographique. Malgré cela, et malgré le fait que l'implantation ionique est directionnelle et que le bombardement ionique peut présenter un angle d'incidence variable sur les faces latérales du composant, on obtient une amélioration tribologique qui se moyenne sur l'ensemble de la surface latérale du composant et qui est significative. Par conséquent, la méthode proposée dans la présente demande trouve à s'appliquer avec des substrats d'orientation cristallographique quelconque, étant donné que, au niveau des surfaces latérales, la pièce pourra prendre toutes les orientations cristallographiques.
[0040] Ainsi est proposée une nouvelle voie dans l'amélioration des propriétés tribologiques des composants horlogers. L'homme du métier peut, sur la base de l'enseignement de la présente demande, envisager d'utiliser d'autres espèces ioniques, ou encore de jouer sur les paramètres d'implantation en termes de dose et d'énergie, ou encore de durée de traitement, mais sans toutefois sortir du cadre de la présente invention défini par les revendications.
[0041] L'homme du métier pourra même envisager d'avoir plusieurs zones implantées 16, à des profondeurs différentes, typiquement deux, séparées par une zone non implantée ou faiblement implantée, indépendamment de la couche (de protection ou de silicium). Une telle structure peut notamment être obtenue en effectuant deux étapes d'implantation avec des paramètres différents, notamment au niveau de l'énergie d'implantation (figure 6).

Claims

Composant horloger destiné à subir un frottement dynamique, réalisé à base d'un substrat comprenant une couche de silicium (10) dont la structure cristallographique comprend au moins l'une des formes monocristalline, polycristalline ou amorphe, ledit substrat étant renforcé par une couche de protection (12) réalisée à sa surface au cours d'une opération de protection du substrat, ledit composant présentant au moins une zone implantée ioniquement (16), cette zone se situant dans la couche de protection, dans le substrat ou répartie entre la couche de protection et le substrat.
Composant horloger selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il est choisi parmi une roue dentée, une ancre, une roue d'ancre ou une partie d'un résonateur subissant des frottements, telle qu'une cheville de plateau.
Composant horloger selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ladite zone implantée ioniquement (16) est partagée entre le substrat et la couche de protection (12), le substrat présentant une implantation en nombre d'ions supérieure à la couche de protection.
Composant horloger selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone implantée ioniquement (16) est implantée majoritairement avec des ions C, implantés avec une dose supérieure à 5.1017 ions/cm2, de préférence supérieure à 1.1018 ions/cm2.
Composant horloger selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la zone implantée ioniquement (16) est implantée majoritairement avec des ions N, implantés avec une dose supérieure à 1.1016 ions/cm2.
Composant horloger selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la zone implantée ioniquement (16) est implantée avec des ions C et N.
7. Composant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de protection (12) est une couche de S1O2 d'au moins 50 nm.
8. Mouvement horloger comprenant un ou plusieurs composants selon l'une des revendications précédentes.
9. Mouvement horloger selon la revendication 8 comprenant plusieurs composants selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les zones implantées ioniquement desdits composants sont différentes entre lesdits composants.
10. Méthode d'optimisation des propriétés tribologiques d'un composant horloger destiné à subit un frottement dynamique, réalisé à base d'un substrat comprenant une couche de silicium (10) dont la structure cristallographique comprend au moins l'une des formes monocristalline, polycristalline ou amorphe, ledit substrat étant renforcé par une couche de protection (12) réalisée à sa surface au cours d'une opération de protection du substrat, ladite méthode comprenant une étape d'implantation ionique d'au moins un ion, par bombardement ionique à la surface dudit composant.
1 1. Méthode selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'étape d'implantation est effectuée avec des ions C, à une dose supérieure à 5.1017 ions/cm2, de préférence supérieure à 1.1018 ions/cm2.
12. Méthode selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'étape d'implantation est effectuée avec des ions N, à une dose supérieure à 1.1016 ions/cm2.
13. Méthode selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisée en ce qu'elle est réalisée sur des composants formés, au moins partiellement détachés d'un wafer de base, pour permettre le traitement des faces latérales desdits composants.
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