Кремний: пристальный взгляд на материал, привнесший в часовое искусство свежие идеи

Кремний – самым распространенный химический элемент на Земле после кислорода. В своей чистой кристаллической форме он представляет собой основу индустрии микроэлектроники: благодаря ему работают наши смартфоны, телевизоры и компьютеры. Кроме того, он дал свое название одной из самых богатых областей в мире: Кремниевой долине в Калифорнии.

Производство кристаллического кремния – это захватывающий процесс.

Для формирования кремниевого цилиндра, служащего основой для дальнейшей обработки, требуется от 24 до 48 часов. Процесс инициируется так называемым начальным кристаллом, кремниевым цилиндром, на котором обозначена «ориентационная плоскость».

В периодической таблице кремний занимает место непосредственно рядом с углеродом и, как и следовало ожидать, имеет схожие свойства. Он четырехвалентен: это значит, что он способен формировать связи с четырьмя другими атомами или ионами. Чистый кремний легко образует крупные кристаллы, в которых каждый атом кремния связан с четырьмя другими в так называемой кристаллической решетке. Структурное устройство данной решетки такое же, как у алмаза.

Кристаллическая решетка кремния

Куб, очерченный красным цветом на изображении выше, представляет собою кристаллическую структуру кремния, розовые точки в центре и по углам – это атомы кремния. Восемь таких кубов составляют одну ячейку в кристаллической решетке кремния. При этом к какой-либо конкретной ячейке относится всего четыре атома, а остальные как будто делятся между соседними ячейками, являясь частью сразу двух из них.

Ориентация кремния: 100, 110, или 111

Если представить начальный кристалл в виде куба, то в процессе формирования расплавленный кремний может вначале попасть на одну из его граней, углов, либо ребер. Таким образом образуются пластины с разными “ориентациями”, которые принято обозначать цифрами 100, 110 или 111.

Изображение начального кристалла кремния в качестве куба с ориентацией 100, 110 или 111

На рисунке куб с ориентацией 110 одной из своих граней повернут к нам одним из ребер, а с ориентацией 111 – повернут углом.

Электротехническая промышленность предпочитает пластины с ориентацией 100, так что это наиболее доступный и, следовательно, наиболее широко используемый в часовом деле вид кремния.

Если взглянуть на кремниевую пластину, то мы увидим, что все ячейки расставлены, как коробки в стопке, и очень точно организованы. Они прочно “склеены” друг с другом при помощи химических связей, которые проходят сквозь всю структуру материала.

Однако есть одно «но» – физические свойства монокристаллического кремния (прочность, эластичность, температурный отклик и т. д.) меняются в зависимости от ориентации кристалла.

Это очень важно для микроэлектроники, потому что ориентация также влияет и на характеристики электропроводности, но для часовой индустрии краеугольным камнем выступают механические свойства кремния.

DRIE: процесс изготовление кремниевых деталей

Кремниевые детали (такие, как элементы спуска и балансовые спирали), производятся при помощи высокотехнологичного процесса под названием DRIE (Deep Reactive Ion Etching). Этот процесс напоминает механическую обработку: берется цельный кусок материала, отрезается все лишнее, и остается нужная деталь. Но «резка» происходит в ходе очень агрессивного химического процесса с использованием высокоэнергетической плазмы.

При помощи фотолитографический процесса на поверхность кремниевой пластины наносится маска с силуэтом нужной детали. Затем она помещается в специальную вакуумную камеру с сильным электрическим полем. В камеру вводят гексафторид серы (SF6), а ионы фторида вытравливают кремнийсодержащий тетрафторид кремния (SiF4).

На рисунке сверху кремний отмечен оранжевым цветом, устойчивая маска – синим. Обратите внимание, что в процессе травления подрезаются края маски.

Чтобы предотвратить продолжение этого процесса, камера обрабатывается газом C4F8. Из-за этого вся поверхность покрывается слоем, похожим на тефлон (как антипригарной посуде). Этот процесс называется пассивацией металлов.

Травление продолжается после того, как в систему вновь вводится SF6. Слой, оставшийся после пассивации, подвергается атаке, а горизонтальный слой удаляется плазменным полем, направленным вниз, чтобы продолжить травление. Но из-за наклонного угла край остается под защитой.

И опять получается небольшое подрезание, поэтому шаг с газом C4F8 повторяется. Это продолжается в течение множества циклов длительностью около десяти секунд. Каждый цикл удаляет микроны кремния, поэтому для получения компонентов, скажем, толщиной 150 микрон, требуется несколько часов.

Если рассмотреть результаты травления под электронным микроскопом, можно увидеть, что последовательные циклы травления и пассивации создают прямые вертикальные края без заметного подрезания. Любителям аббревиатур будет интересно, что это форма DRIE-процесса, запатентованная компанией Bosch, описана как TMDE (Time Multiplexed Deep Etching) и считается идеальной для HARS (High Aspect Ratio Structures).

Травленная кремниевая пластина, содержащая сотни деталей, предназначенных для спуска Ulysse Nardin Freak

На фотографии выше изображена кремниевая пластина с выгравированными на ней сотнями деталей. В данном случае это спусковой механизм для Ulysse Nardin Freak.

Обратите внимание на материал вокруг деталей. Все это должно быть удалено в процессе травления.

Глядя на изображение пластины мы можем заметить “линию”, вырезанную на краю окружности. Эта линия находится рядом с другой пластиной. Ориентируя маску по этой линии производители могут убедиться, что качество деталей остается одинаковым от партии к партии.

Разнообразие цветов благодаря отражению световых волн

Кремниевые детали могут быть необычайно красочными, буквально, любого цвета радуги. Этот эффект достигается благодаря тому, что во время постобработки они окисляются в печи.

Стеклоподобный слой аморфного SiO2 (диоксид кремния), который образуется на поверхности, разбивает падающий на него свет, отражающий волны разной длины в зависимости от его толщины. На изображении кремниевых деталей концептуальных часов от Chopard, работающих на высокой частоте, можно увидеть различные варианты расцветки.

Разнообразие цветов кремниевых деталей, использованных в высокочастотном концепте от Chopard

Зеленые, пурпурные и голубые кремниевые детали на изображении сравниваются с обычными.

Сторонники использования кремния в часовой промышленности хранят в тайне толщину и роль этого слоя, но в открытом доступе имеется множество данных, свидетельствующих о том, что он придает поверхности особой твердости, при этом с меньшим коэффициентом трения.

Коэффициент теплового расширения кремния мал, и покрытие диоксидом кремния еще больше уменьшает его.

Детали из кремния

Спусковое колесо из кремния будет иметь больше зубцов, не будет необходимости в анкерной вилке с паллетами.

Patek Philippe, например, запатентовали материал Silinvar – окисленный кремний, используемый в балансе Spiromax. Silinvar представляет собой комбинацию слов silicon (кремний) и invar (инвар – никелевый сплав, используемым для маятниковых стержней).

Кремниевая балансовая спираль Patek Philippe Spiromax

Зачастую металлическая спираль представляет собой спираль, изготовленную из однородного материала. Но в центре спирали Spiromax помещен центральный треугольник, крепящийся к балансу, а спираль слегка утолщается по направлению к внешнему концу, заканчивающемуся Т-образной деталью, крепящейся к шпильке.
К сожалению, бренд не отвечает на вопросы о природе Silinvar. Можно лишь предположить, что тепловые свойства диоксида не становятся доминантными, если они не являются основным компонентом
Рассматривая подробное строение кремниевых деталей, стоит отметить важные физические свойства, которые делают его отличным материалом для использования в механических часах.

Кремний не поддается воздействию магнитных полей, материал с такими свойствами часовщики искали в течении многих лет. Магнитный баланс Breguet, например, не возможно было бы сконструировать без кремния.

Плотность кремния на треть ниже таковой у более традиционных для часовщиков материалов, что снижает инерцию. Это особенно важно в компонентах «stop/go» в спуске. Кроме того, детали из обычных материалов зачастую более массивны, чем требуют их функции, из-за того, что в процессе производства их вырезают инструментами.

Габариты кремниевых компонентов могут быть уменьшены ровно настолько, насколько требуют их функции, что делает их легче.

Противники же кремния утверждают, что он слишком хрупкий, что технически не верно.

Хрупкий материал остается эластичным до тех пор, пока нагрузка превышает его предел упругости, после чего он ломается. Да, хрупкий материал может растягиваться и изгибаться под нагрузкой, но если ее убрать, он возвращается в свою прежнюю форму. Если предел упругости не превышен, это идеальный материал для деталей часов, особенно для спиралей.

Наиболее впечатляющим примером использования кремния можно считать деталь, произведенную для спуска постоянной силы от Girard-Perregaux, потому что ее невозможно изготовить из какого-либо другого материала.

Теоретически, при помощи DRIE процесса из кремния можно изготовить любой плоский предмет, который можно начертить. Это открывает огромные возможности для материализации огромного количества идей в часовой индустрии.

Timothy Treffry