LE SILICIUM
Un élément en abondance
Le silicium est l’élément de numéro atomique 14 dont le symbole est Si. Le silicium appartient à la famille des métalloïdes. Après l’oxygène, c’est le deuxième élément le plus présent dans la croute terrestre dont il représente 27,72% de la masse. En 2023, les principaux pays producteurs de silicium étaient la Chine (80% de la production mondiale), la Russie et le Brésil*.
A l’état naturel, le silicium n’existe pas comme corps simple. On le trouve sous forme composée de dioxyde de silicium (SiO2) que l’on extrait de minerais minéraux voire biogéniques. Différentes méthodes chimiques permettent d’isoler un silicium relativement pur.
Synthèse de silicium monocristallin
La méthode Czochralski est un procédé de croissance monocristallin développé en 1916 et qui est utilisé aujourd’hui pour produire le silicium le plus pur. Les composants d’un mouvement horloger (généralement des composants de l’échappement et des spiraux) sont fabriqués avec un silicium monocristallin produit selon la méthode Czochralski. Cette méthode produit des lingots cylindriques d’une longueur de 2m pour un diamètre compris entre 20 et 45cm.
Production de composants par gravure ionique réactive profonde (DRIE)
Ces lingots sont ensuite tronçonnés en disques : les wafers. Les composants seront découpés dans les wafers selon la même méthode utilisée pour la production de circuits intégrés : La gravure DRIE.
Des propriétés uniques
Le silicium monocristallin possède des caractéristiques particulièrement intéressantes. Il est dur et trois fois plus léger que l’acier (2,33 g/cm-3). Il est élastique, dispose d’un très faible coefficient de dilatation thermique et est amagnétique. Enfin, les échappements fabriqués en silicium ne nécessitent pas de lubrification.
Le silicium est découvert au début du 19ème siècle. Depuis les méthodes de raffinage du silicium ne cessent de s’améliorer.
Le carbure de silicium (SiC) aurait été découvert accidentellement en 1824. Il sera commercialisé dès 1890 sous le nom (connu des horlogers) de carborundum. Alors que l’horlogerie s’industrialise et se normalise, les outils de coupe utilisés en horlogerie (burins, fraises, forêts) sont fréquemment fabriqués en carbure de silicium ou dans des alliages en contenant.
Le silicium connaitra son véritable essor avec la plus rapide évolution technologique de l’histoire de l’humanité : Les circuits intégrés. En 1955, le premier circuit intégré en silicium est produit par gravure DRIE. Depuis les circuits intégrés ne cessent de diminuer en taille et en prix alors que leurs performances augmentent.
C’est à partir de 2006, que le silicium apparait dans la fabrication de composants horlogers produits selon la même méthode qu’utilisée en électronique. Les propriétés mécaniques et physiques du silicium entrainent une rapide révolution dans la fabrication des échappements et des spiraux. Son mode de production (gravure DRIE) permet de produire en petites ou en grandes séries, à des coûts compétitifs. La reproductibilité est garantie à long terme avec une exactitude dimensionnelle absolue, sans usure d’outil ou de dérive de machine. Ce procédé offre de plus une liberté de design qu’aucun autre mode de production ne permet.
Les outils d’usinage utilisés en horlogerie sont parfois fabriqués en carbure de silicium ou en contiennent.
Le silicium monocristallin et la méthode de gravure DRIE, s’appliquent quant à eux essentiellement à la fabrication de composants du mouvement et, particulièrement de l’échappement. On fabrique ainsi essentiellement des planches de roues d’échappement, d’ancre ainsi que des spiraux en silicium selon cette méthode. Bien sûr, de nombreux autres composants peuvent être fabriqués dans ce matériau selon cette méthode. A ce jour l’épaisseur des composants est limitée à 1-1,20mm. La gravure DRIE découpe le contour du composant. De ce fait, seuls deux plans verticaux distincts peuvent apparaitre dans le design du composant.