EP3548972B1

EP3548972B1 - Methode d'optimisation des proprietes tribologiques d'un composant horloger

Info

Publication number: EP3548972B1
Application number: EP17808909.0A
Authority: EP
Inventors: Frédéric Dreyer-Gonzales; Arnaud HOURIET
Original assignee: Officine Panerai AG
Current assignee: Officine Panerai AG
Priority date: 2016-12-05
Filing date: 2017-12-04
Publication date: 2022-02-02
Anticipated expiration: 2037-12-04
Also published as: WO2018104247A1; EP3548972A1

Description

Domaine technique

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

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.
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.
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.
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.
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...).
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.
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. Par ailleurs, l'implantation ionique sur d'autres types de composants horlogers a également été réalisée. Par exemple, le document WO 2009/043391 décrit un ressort de barillet pour montre mécanique, ledit ressort de barillet étant réalisé dans un matériau de base et comportant sous au moins une partie de sa surface des ions implantés dans une zone d'implantation associée étant rendue plus dure et plus rigide que ledit matériau de base, afin d'augmenter la rigidité à la flexion et ainsi la capacité de stockage d'énergie dudit ressort de barillet.

Divulguation de l'invention

De façon plus précise, l'invention concerne 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

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

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.
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.
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.
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.
A titre d'exemple, une couche de protection réalisée en SiO₂ obtenue par une étape d'oxydation, mesure au moins 50 nm d'épaisseur, ce qui ne peut être obtenu avec une oxydation naturelle.
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.
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.
Ainsi, l'invention concerne une méthode d'optimisation des propriétés tribologiques d'un composant horloger destiné à subir un frottement dynamique, 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, dans lequel l'étape d'implantation est effectuée avec des ions C, à une dose supérieure à 5.10¹⁷ ions/cm² et/ou avec des ions N, à une dose supérieure à 1.10¹⁶ ions/cm².
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 - Metal 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 SiO₂ 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 111, 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.
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 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.
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

Méthode d'optimisation des propriétés tribologiques d'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, ladite méthode comprenant une étape d'implantation ionique d'au moins un ion, par bombardement ionique à la surface dudit composant,
dans lequel l'étape d'implantation est effectuée avec des ions C, à une dose supérieure à 5.10¹⁷ ions/cm² et/ou avec des ions N, à une dose supérieure à 1.10¹⁶ ions/cm².
Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la dose d'ions de C est supérieure à 1.10¹⁸ ions/cm².
Méthode selon l'une des revendications 1 à 2, 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.
Méthode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdites ions sont implantées à une énergie supérieure à 600 keV.
Méthode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite couche de protection est réalisée en SiO₂ obtenue par une étape d'oxydation, et mesure au moins 50 nm d'épaisseur.