CH711275B1

CH711275B1 - Process for coating a spiral spring and correspondingly coated spiral spring.

Info

Publication number: CH711275B1
Application number: CH00791/16A
Authority: CH
Inventors: Schafroth Konrad
Original assignee: Xc Tracer Gmbh
Priority date: 2015-06-22
Filing date: 2016-06-22
Publication date: 2020-12-30
Also published as: CH711275A2

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder mit einen Kern aus einem Substrat (204) und einer piezoelektrischen Beschichtung (207), wobei die benannte Beschichtung mittels eines gepulsten Beschichtungsverfahrens auf diesem Substrat (204) aufgebracht wird.Method for producing a spiral spring with a core made of a substrate (204) and a piezoelectric coating (207), the said coating being applied to this substrate (204) by means of a pulsed coating process.

Description

Technisches GebietTechnical area

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine mechanische Uhr, deren Regelorgan mit einer Unruhe und einer Spiralfeder durch ein Regelorgan mit einer besseren Ganggenauigkeit ersetzt wird. Erfindungsgemäss wird eine Unruhe mit einer Spiralfeder aus piezoelektrischem Material und einer kleinen, den Gang der Unruhe regelnden Elektronik verwendet. The invention relates to a mechanical watch whose control element with a balance and a spiral spring is replaced by a control element with better accuracy. According to the invention, a balance is used with a spiral spring made of piezoelectric material and small electronics that regulate the rate of the balance.

Stand der TechnikState of the art

[0002] Es wird eine Unruhe mit einer Spiralfeder aus piezoelektrischem Material und einer kleinen, den Gang der Unruhe regelnden Elektronik verwendet. Aus der JP2002228774A ist schon ein solches Uhrwerk mit einer piezoelektrischen Spiralfeder bekannt. It is a unrest with a coil spring made of piezoelectric material and a small electronics regulating the movement of the unrest is used. Such a clockwork with a piezoelectric spiral spring is already known from JP2002228774A.

[0003] Aus der internationalen Anmeldung WO2011131784 und aus CH20100001298, deren Inhalt hiermit per Referenz aufgenommen wird, ist ein Verfahren beschrieben, bei welchem eine piezoelektrische Spiralfeder hergestellt wird, indem eine Spiralfeder aus Silizium mit einer piezoelektrischen Beschichtung und den entsprechenden Elektroden versehen wird. Gemäß dieser Anmeldung wird die piezoelektrische Beschichtung mittels der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (engl. metal organic chemical vapor deposition, MOCVD) hergestellt. Nachdem die Spiralfeder mit der piezoelektrischen Beschichtung versehen worden ist, werden mittels Sputtern und anschließendem Ätzen die Elektroden strukturiert. Der Nachteil dieses Verfahrens ist dass die gewünschte Qualität der piezoelektrischen Beschichtung, in diesem Falle Aluminiumnitrid AIN, nur bei hohen Temperaturen im Bereich von 1100-1300 Grad Celsius erreicht werden kann. Beim Abkühlen der Spiralfeder auf Raumtemperatur entstehen durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Silizium und AIN große Spannungen. From the international application WO2011131784 and from CH20100001298, the content of which is hereby incorporated by reference, a method is described in which a piezoelectric coil spring is produced by providing a coil spring made of silicon with a piezoelectric coating and the corresponding electrodes. According to this application, the piezoelectric coating is produced by means of metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). After the spiral spring has been provided with the piezoelectric coating, the electrodes are structured by means of sputtering and subsequent etching. The disadvantage of this method is that the desired quality of the piezoelectric coating, in this case aluminum nitride AIN, can only be achieved at high temperatures in the range of 1100-1300 degrees Celsius. When the spiral spring cools down to room temperature, the different expansion coefficients of silicon and AlN cause great stresses.

[0004] Diese Spannungen können teilweise reduziert werden, indem Zwischenschichten aus Aluminiumnitrid abwechselnd mit Schichten aus AlGaN oder GaN gewachsen werden. Durch die kleinere Gitterkonstante des Aluminiumnitrid wird das darauf wachsende AlGaN oder GaN leicht druckverspannt, was der Zugverspannung, die schon beim Wachstum und vor allen Dingen beim Abkühlen entsteht, entgegenwirkt. Somit kann man theoretisch ein fast verspannungsfreies Material erhalten. In der Praxis hat sich aber herausgestellt, dass dies nicht so einfach ist. Zudem hat GaN einen kleineren Piezokoeffizienten als AIN. Des Weiteren ist es kaum möglich, das AIN mit beispielsweise Scandium zu dotieren, was den Piezokoeffizienten wesentlich erhöhen würde. These stresses can be partially reduced by growing intermediate layers of aluminum nitride alternately with layers of AlGaN or GaN. Due to the smaller lattice constant of the aluminum nitride, the AlGaN or GaN growing on it is slightly compressed, which counteracts the tensile stress that already arises during growth and, above all, during cooling. Thus, in theory, one can obtain an almost stress-free material. In practice, however, it has been found that this is not that easy. In addition, GaN has a smaller piezo coefficient than AIN. Furthermore, it is hardly possible to dope the AlN with scandium, for example, which would significantly increase the piezo coefficient.

[0005] Wesentlich für eine erfindungsgemäße Funktion der Spiralfeder ist eine Orientierung der piezoelektrischen Beschichtung mit der piezoelektischen Achse senkrecht zur Oberfläche. Dies gelingt prinzipiell nur mit Verfahren die keine mit der Materialquelle in Verbindung stehende Vorzugsrichtung aufprägen, wie z. B. der MOCVD, nicht jedoch mit konventioneller DC- oder RF-Sputterdeposition. bei diesen Methoden ist beispielsweise die c-Achse von AIN immer senkrecht zur Sputterquelle hin ausgerichtet was man ausnutzen kann um durch schrägstellen der Probe eine schräge c-Achsenorientierung der gesputterten Schicht zu erzielen. An orientation of the piezoelectric coating with the piezoelectric axis perpendicular to the surface is essential for a function of the spiral spring according to the invention. In principle, this is only possible with processes that do not imprint any preferred direction associated with the material source, such as B. the MOCVD, but not with conventional DC or RF sputter deposition. With these methods, for example, the c-axis of AIN is always aligned perpendicular to the sputtering source, which can be used to achieve an inclined c-axis orientation of the sputtered layer by tilting the sample.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

[0006] Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren für eine piezoelektrische Beschichtung einer Spiralfeder, die sich bei tiefen Temperaturen herstellen lässt und eine dementsprechend beschichtete Spiralfeder vorzuschlagen. The aim of the present invention is to propose a method for a piezoelectric coating of a spiral spring, which can be produced at low temperatures, and a correspondingly coated spiral spring.

[0007] Eine andere Aufgabe ist es, die Spiralfeder bruch resistenter zu machen. Another task is to make the coil spring more resistant to breakage.

[0008] Erfindungsgemäss werden diese Probleme gelöst indem das AIN nicht mittels MOCVD aufgebracht wird, sondern mittels eines gepulsten Beschichtungsverfahrens basierend auf einem Target und einer gepulsten Anregungsquelle. According to the invention, these problems are solved in that the AIN is not applied by means of MOCVD, but by means of a pulsed coating process based on a target and a pulsed excitation source.

[0009] Dies hat unter anderem den Vorteil, dass die Beschichtung bei Raumtemperatur, oder zumindest bei einer Temperatur unter 80°C, erfolgen kann. Dadurch werden Spannungen an der Schnittstelle zwischen Substrat und Beschichtung vermieden, die durch unterschiedliche thermische Dilatationskoeffiziente sonst entstehen würden, wenn die Feder nach einer Hochtemperaturbeschichtung wieder erkältet. Among other things, this has the advantage that the coating can be carried out at room temperature, or at least at a temperature below 80.degree. This avoids stresses at the interface between substrate and coating, which would otherwise arise due to different thermal expansion coefficients if the spring catches cold again after a high-temperature coating.

[0010] Dies hat auch den Vorteil, dass die Beschichtung viel homogener wird. Die Kristallstruktur der piezoelektrischen Schicht wird weniger unterbrochen, so dass eine höhere piezoelektrische Spannung erzeugt wird. This also has the advantage that the coating becomes much more homogeneous. The crystal structure of the piezoelectric layer is less interrupted, so that a higher piezoelectric voltage is generated.

[0011] In einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Beschichtung mittels Hochenergieimpulsmagnetronsputtern (HiPIMS) (englisch high power impulse magnetron sputtering, HiPIMS, oder high power pulsed magnetron sputtering, HPPMS). In one embodiment, the coating is carried out by means of high-energy pulse magnetron sputtering (HiPIMS) (high power pulse magnetron sputtering, HiPIMS, or high power pulsed magnetron sputtering, HPPMS).

[0012] In einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Beschichtung mittels einer gepulsten Laserdeposition. In one embodiment, the coating takes place by means of a pulsed laser deposition.

[0013] In einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Beschichtung mittels einer gepulsten Laserepitaxie. In one embodiment, the coating takes place by means of a pulsed laser epitaxy.

[0014] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. [0014] Further advantageous embodiments are specified in the dependent claims.

Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures

[0015] Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figur näher erläutert, wobei Fig.1a Einen Querschnitt durch eine einzelne Windung der Spiralfeder zeigt. Fig.1b Ein Detail aus dem Querschnitt durch eine einzelne Windung der Spiralfeder zeigt.The invention is explained in more detail with reference to the accompanying figure, wherein Fig.1a shows a cross section through a single turn of the spiral spring. Fig.1b shows a detail from the cross section through a single turn of the spiral spring.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

[0016] Die Figuren 1a und 1b zeigen einen Querschnitt 200 durch eine einzelne Windung der Spiralfeder. Der Kern der Spiralfeder besteht aus einem Substrat 204 aus Silizium. Darauf ist eine amorphe Zwischenschicht 205 vorhanden, zum Beispiel aufgesputtert oder durch Oxydation realisiert. In einem Beispiel besteht die Schicht aus Siliziumoxid mit einer Dicke von beispielsweise 1000nm, angebracht beispielsweise durch oxidieren des Siliziumwafers nach dem Ätzen / Strukturieren der Spiralfeder 20. Die Dicke ist somit wesentlich höher als die Dicke der nativen SiO2-Schicht. Figures 1a and 1b show a cross section 200 through a single turn of the spiral spring. The core of the coil spring consists of a substrate 204 made of silicon. An amorphous intermediate layer 205 is present thereon, for example sputtered on or implemented by oxidation. In one example, the layer consists of silicon oxide with a thickness of, for example, 1000 nm, applied, for example, by oxidizing the silicon wafer after the etching / structuring of the spiral spring 20. The thickness is thus significantly greater than the thickness of the native SiO2 layer.

[0017] Diese amorphe Schicht hat einerseits den Vorteil dass die Oberfläche der Spiralfeder geglättet wird, und andererseits eine Temperaturkompensation erreicht wird, so dass die Schwingfrequenz der Kombination Unruhe / Spiralfeder auch bei Temperaturänderungen im Wesentlichen stabil bleibt oder sich nur wenig ändert. This amorphous layer has on the one hand the advantage that the surface of the spiral spring is smoothed, and on the other hand a temperature compensation is achieved so that the oscillation frequency of the balance / spiral spring combination remains essentially stable or changes only slightly even with temperature changes.

[0018] Auf diese Schicht amorphes Siliziumdioxid wird mittels Sputtering eine leitende Schicht als Innenelektrode 206 aufgebracht, beispielsweise eine Schicht Titan, mit einer Dicke von 10-50nm. Es kann aber auch ein anderes leitfähiges Material verwendet werden, beispielsweise Aluminium, oder aber auch eine leitfähige Schicht aus Titannidrid oder einem anderen geeigneten Material, beispielsweise Molybdän und allgemein ein leitfähiges Oxid, wie z.B. Indium-Zinn-Oxid, AI dotiertes ZnO oder ein leitfähiges Nitrid wie z. B. hoch Ge dotiertes GaN wie in DE 10 2015108 875 beschrieben. Wenn auf die Schicht Siliziumoxid 205 verzichtet wird, kann sogar der Kern der Spiralfeder aus Silizium als Innenelektrode verwendet werden, in diesem Falle muss nur elektrisch leitfähiges Silizium verwendet werden. On this layer of amorphous silicon dioxide, a conductive layer is applied as an inner electrode 206 by means of sputtering, for example a layer of titanium, with a thickness of 10-50 nm. However, another conductive material can also be used, for example aluminum, or a conductive layer made of titanium nidride or another suitable material, for example molybdenum and generally a conductive oxide such as indium tin oxide, Al-doped ZnO or a conductive one Nitride such as B. highly Ge doped GaN as described in DE 10 2015 108 875. If the silicon oxide layer 205 is dispensed with, even the core of the spiral spring made of silicon can be used as the inner electrode, in which case only electrically conductive silicon has to be used.

[0019] Auf die Innenelektrode 206 aus Titan wird eine piezoelektrisch aktive Schicht 207 aufgebracht, beispielswiese eine Schicht die mindestens 30% Aluminiumnitrid enthält. Die Schichtdicke ist vorzugsweise zwischen 500 und 3000 nm, zum Beispiel 1000nm. Noch besser ist die Verwendung von AluminiumScandiumNitrid, dieses hat gegenüber AIN 2-5x höhere Piezokoeffizienten. Auf die Schicht piezoelektrisch aktiven Materials wird abschliessend die Elektrode aufgebracht, beispielsweise 50-200nm aus Chrom / Nickel /Gold. Die Elektroden sind auf beiden vertikalen Seitenflanken der Spiralfeder angeordnet, auf der Ober- und Unterseite der Spiralfeder 20 sind keine Elektroden vorhanden. Dies kann schon während der Beschichtung so geschehen oder durch ein anschließende Prozessierung bei der die Beschichtung auf Ober- und gegebenenfalls auch der Unterseite entfernt wird. A piezoelectrically active layer 207 is applied to the inner electrode 206 made of titanium, for example a layer which contains at least 30% aluminum nitride. The layer thickness is preferably between 500 and 3000 nm, for example 1000 nm. The use of aluminum-scandium nitride is even better, as this has a piezo coefficient that is 2-5 times higher than that of AIN. The electrode, for example 50-200 nm made of chromium / nickel / gold, is then applied to the layer of piezoelectrically active material. The electrodes are arranged on both vertical side flanks of the spiral spring; there are no electrodes on the top and bottom of the spiral spring 20. This can already be done during the coating or by subsequent processing in which the coating is removed from the top and, if necessary, also the bottom.

[0020] Erfindungsgemäss erfolgt die Beschichtung mit einem gepulsten Beschichtungsverfahren, das mit einem Plasma vom Target zum Wafer arbeitet. According to the invention, the coating is carried out using a pulsed coating process that works with a plasma from the target to the wafer.

[0021] In einer Ausführung wird die piezoelektrische Beschichtung 207 aus AIN mittels Hochenergieimpulsmagnetronsputtern (englisch high power impulse magnetron sputtering, HiPIMS, oder high power pulsed magnetron sputtering, HPPMS) aufgebracht. In one embodiment, the piezoelectric coating 207 made of AIN is applied by means of high-energy pulse magnetron sputtering (high power impulse magnetron sputtering, HiPIMS, or high power pulsed magnetron sputtering, HPPMS).

[0022] Alternativ erfolgt die Beschichtung mittels PLD (Pulsed Laser Deposition), oder mittels PLE (Pulsed Laser Epitaxie). Alternatively, the coating takes place by means of PLD (pulsed laser deposition), or by means of PLE (pulsed laser epitaxy).

[0023] HiPIMS ist ein spezielles Magnetronsputterverfahren zur Abscheidung von Dünnschichten. HiPIMS verwendet sehr hohe Target-Leistungsdichten von einigen kW·cm-2 in kurzen Pulsen von einigen zehn Mikrosekunden bei geringem Tastverhältnis (Ein-Aus-Verhältnis) von kleiner als 10 %. Ein charakterisierendes Merkmal des HiPIMS ist der hohe Ionisationsgrad des gesputterten Spendermaterials und die hohe Rate der molekularen Gasdissoziation. Da die Pulse bei HiPIMS nur für eine sehr kurze Zeit auf das Targetmaterial wirken und sich daran eine relativ lange „Aus-Zeit“ anschließt, ergeben sich niedrige durchschnittliche Kathodenleistungen (1-10 kW). So kann das Targetmaterial in den Aus-Zeiten abkühlen und eine bessere Prozessstabilität ist gegeben. HiPIMS is a special magnetron sputtering process for the deposition of thin films. HiPIMS uses very high target power densities of a few kW · cm-2 in short pulses of a few tens of microseconds with a low duty cycle (on-off ratio) of less than 10%. A characteristic feature of the HiPIMS is the high degree of ionization of the sputtered donor material and the high rate of molecular gas dissociation. Since the pulses with HiPIMS only act on the target material for a very short time and this is followed by a relatively long "off time", the average cathode power is low (1-10 kW). In this way, the target material can cool down during the off times and the process is more stable.

[0024] Mittels HiPIMS ist es also möglich AIN praktisch bei Raumtemperatur aufzubringen. Deshalb gibt es im Gegensatz zu MOCVD bei HiPIMS das Problem der thermischen Verspannung nicht oder kaum. Deswegen sind Spiralfedern, die mittels HiPIMS beschichtet worden sind, wesentlich stabiler als Spiralfedern, die mittels MOCVD beschichtet worden sind. Vorteilhaft gegenüber konventionellen Sputtermethoden ist zudem bei gepulsten Plasmaverfahren die deutlich verringerte Neigung der Ausrichtung der aufgebrachten Schicht in Bezug zur Quelle. Mit den gepulsten verfahren lassen sich z. B. einfacher AIN Schichten realisieren, die mit ihrer piezoelektrischen c-Achse senkrecht zur Oberfläche aufwachsen. Using HiPIMS, it is therefore possible to apply AIN practically at room temperature. This is why, in contrast to MOCVD, HiPIMS does not have the problem of thermal distortion or hardly any. This is why spiral springs that have been coated with HiPIMS are much more stable than spiral springs that have been coated with MOCVD. Another advantage over conventional sputtering methods in the case of pulsed plasma processes is the significantly reduced inclination of the alignment of the applied layer in relation to the source. With the pulsed method z. B. realize simple AIN layers that grow with their piezoelectric c-axis perpendicular to the surface.

[0025] Ein weiterer Vorteil von HiPIMS ist, dass eine Dotierung des AIN 207 durch beispielsweise Scandium einfach zu realisieren ist, durch Co-Sputtern mit einem zweiten Target aus Scandium, das erste Target ist aus Aluminium. Es müssen also im Gegensatz zu MOCVD keine teuren und exotischen Präkursoren eingesetzt werden. Another advantage of HiPIMS is that the AlN 207 can be easily doped with, for example, scandium, by co-sputtering with a second target made of scandium; the first target is made of aluminum. In contrast to MOCVD, there is no need to use expensive and exotic precursors.

[0026] Ein weiterer Vorteil von HiPIMS ist, dass nur Stickstoff und Aluminium oder Scandium verwendet werden müssen für die Herstellung von AIN Schichten, im Gegensatz zur Herstellung von dünnen Schichten AIN mittels MOCVD und Trimethylaluminium C3H9AI, wo noch Ammoniak und Wasserstoff benötigt wird. Another advantage of HiPIMS is that only nitrogen and aluminum or scandium have to be used for the production of AlN layers, in contrast to the production of thin AlN layers using MOCVD and trimethylaluminum C3H9AI, where ammonia and hydrogen are still required.

[0027] Es gibt aber auch die Möglichkeit mit Gasen das Wachstum der Schicht zu beeinflussen. So kann beispielweise durch Zugabe von Sauerstoff die Polarität der Schicht eingestellt werden. Es ist also sehr wichtig das beim HiPIMS Verfahren die Zusammensetzung der Gase im Reaktor sehr genau eingestellt und kontrolliert wird. But there is also the possibility of influencing the growth of the layer with gases. For example, the polarity of the layer can be adjusted by adding oxygen. It is therefore very important that the composition of the gases in the reactor is set and controlled very precisely with the HiPIMS process.

[0028] Ein weiterer Vorteil von HiPIMS ist die Möglichkeit, mehrere unterschiedliche Schichten aufeinander „stapeln“ zu können. So kann beispielsweise die Spiralfeder zuerst oxidiert werden, so dass auf der gesamten Oberfläche der Spiralfeder eine Schicht amorphes Siliziumdioxid vorhanden ist. Dies hat den Vorteil, dass eine mit Siliziumdioxid beschichtete Spiralfeder bei Temperaturänderungen die Frequenz kaum ändert, da sich die Variationen des Young-Moduls von Silizium und Siliziumdioxid gegenseitig mehr oder weniger kompensieren. Another advantage of HiPIMS is the possibility of being able to “stack” several different layers on top of one another. For example, the spiral spring can be oxidized first, so that a layer of amorphous silicon dioxide is present on the entire surface of the spiral spring. This has the advantage that a spiral spring coated with silicon dioxide hardly changes the frequency when the temperature changes, since the variations in the Young's modulus of silicon and silicon dioxide more or less compensate one another.

[0029] Mit HiPIMS kann direkt auf das Siliziumdioxid 205 mit AIN 207 beschichtet werden. Bei MOCVD ist dies nicht möglich, da bei den hohen Temperaturen das Aluminium mit dem Siliziumdioxid reagiert und die Schicht aus Siliziumdioxid angreift oder sogar ganz auflöst, was in einer schlechten Qualität des darauf gewachsenen AIN resultiert. With HiPIMS, AlN 207 can be coated directly onto the silicon dioxide 205. This is not possible with MOCVD, because at the high temperatures the aluminum reacts with the silicon dioxide and attacks the silicon dioxide layer or even dissolves it completely, which results in a poor quality of the AIN that has grown on it.

[0030] Beim Beschichten mit HiPIMS kann also auch eine Spiralfeder aus Silizium, deren Oberfläche oxidiert wurde, mit qualitativ hochwertigem AIN beschichtet werden, ohne dass das Siliziumdioxid 205 während des Beschichtungsprozesses angegriffen wird. Idealerweise wird auf das Siliziumdioxid 205 zuerst eine dünne Schicht 206 von beispielsweise 10-50nm Titan aufgebracht, es kann aber auch zuerst eine dünne Schicht von 10-50nm reinem Aluminium aufgesputtert oder einem anderen geeigneten leitfähigem Material aufgebracht werden. Diese Schicht 206 aus elektrisch leitfähigem Material dient als Innenelektrode. Auf diese dünne leitfähige Schicht 206 wird dann eine 1-3um dicke Schicht 207 aus AIN gesputtert. Die piezoelektrischen Eigenschaften des Aluminiumnitrids AIN können noch verbessert werden, wenn während dem Sputtern Scandium beigemischt wird, beispielsweise durch Co-Sputtern von Scandium. Auf diese Weise kann eine 1-3um dicke Schicht 207 von AluminiumScandiumnitrid AxSc1-xN realisiert werden. When coating with HiPIMS, a spiral spring made of silicon, the surface of which has been oxidized, can also be coated with high quality AlN without the silicon dioxide 205 being attacked during the coating process. Ideally, a thin layer 206 of, for example, 10-50 nm titanium is first applied to silicon dioxide 205, but a thin layer of 10-50 nm pure aluminum can also be applied first by sputtering or another suitable conductive material. This layer 206 made of electrically conductive material serves as an internal electrode. A 1-3 µm thick layer 207 of AlN is then sputtered onto this thin conductive layer 206. The piezoelectric properties of the aluminum nitride AIN can be further improved if scandium is added during the sputtering, for example by co-sputtering scandium. In this way, a 1-3 µm thick layer 207 of aluminum-scandium nitride AxSc1-xN can be realized.

[0031] Eine weitere Möglichkeit besteht darin einen Gradienten zu wachsen, d.h. zuerst nur AIN zu Sputtern, und dann im weiteren Verlauf des Beschichtungsprozesses ein Co-Sputtern mit Scandium oder Gallium zu machen und den Scandium- oder Gallium- Gehalt laufend erhöhen. Dadurch wächst das Material druckverspannt auf, da AI(x)Ga(1-x)N oder AI(x)Sc(1-x)N eine grössere Gitterkonstante aufweist als AIN. Dies kann hilfreich sein, wenn für die Erhöhung der Qualität der Beschichtung die Temperatur in der Beschichtungskammer erhöht werden muss. Dann könnte es wieder zu Zugverspannungen kommen nach dem Abkühlen der Beschichtung auf Raumtemperatur, da die Ausdehnungskoeffizienten von Si und AlN nicht gleich gross sind. Durch angepasste Gradienten wird solch eine Verspannung verhindert. Another possibility is to grow a gradient, i.e. first only to sputter AIN, and then in the further course of the coating process to make a co-sputtering with scandium or gallium and continuously increase the scandium or gallium content. As a result, the material grows under compression, since Al (x) Ga (1-x) N or Al (x) Sc (1-x) N has a larger lattice constant than AIN. This can be helpful if the temperature in the coating chamber has to be increased in order to increase the quality of the coating. Then tensile stresses could occur again after the coating has cooled to room temperature, since the expansion coefficients of Si and AlN are not the same. Such tension is prevented by adapted gradients.

[0032] Das mittels HiPIMS aufgesputterte AlN oder AxSc1-xN 207 hat eine kristalline Struktur, vorzugsweise ist das Wachstum c-Achsen orientiert, d.h. die Orientierung der gewachsenen Kristalle ist senkrecht zur Oberfläche, auf die das AlN aufwächst. Da die Oberfläche der Spiralfeder gekrümmt ist kann das AlN oder AxSc1-xN nicht als Monokristall gewachsen werden, sondern es entsteht kolumnares polykristallines AlN. Bei polykristallinen Materialien kann es aber an den Grenzen der Kristallite bei mechanischen Belastungen zu Rissen kommen. Dieses Risiko wird erfindungsgemäss reduziert indem auf die 1-3um dicke Schicht aus AlN oder AxSc1-xN durch einen Sputterprozess oder vorzugsweise mittels Atomic Layer Deposition ALD eine 10-100nm dicke Schicht aus amorphem Siliziumnitrid oder einem ähnlichen geeigneten Material aufgebracht wird. Dies hat einerseits den Vorteil, dass das AlN oder AxSc1-xN gegen Umwelteinflüsse gut geschützt ist, und dass die Spiralfeder wesentlich bruchfester wird, da durch das amorphe Siliziumnitrid Spannungsspitzen im AIN reduziert oder gar ganz eliminiert werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass beim anschließenden Beschichten der Spiralfeder mit Elektroden mittels Sputtering keine Metallatome entlang der Korngrenzen des AlN in das AlN eindringen und die elektrischen Eigenschaften der Spiralfeder verschlechtern können. The AlN or AxSc1-xN 207 sputtered by means of HiPIMS has a crystalline structure, the growth is preferably oriented c-axes, i.e. the orientation of the grown crystals is perpendicular to the surface on which the AlN grows. Since the surface of the spiral spring is curved, the AlN or AxSc1-xN cannot be grown as a monocrystal, but rather columnar polycrystalline AlN is created. In the case of polycrystalline materials, however, mechanical loads can cause cracks at the boundaries of the crystallites. According to the invention, this risk is reduced by applying a 10-100 nm thick layer of amorphous silicon nitride or a similar suitable material to the 1-3 µm thick layer of AlN or AxSc1-xN by a sputtering process or preferably by means of atomic layer deposition ALD. On the one hand, this has the advantage that the AlN or AxSc1-xN is well protected against environmental influences, and that the spiral spring is much more resistant to breakage, since the amorphous silicon nitride can reduce or even eliminate voltage peaks in the AIN. Another advantage is that during the subsequent coating of the spiral spring with electrodes by means of sputtering, no metal atoms can penetrate into the AlN along the grain boundaries of the AlN and impair the electrical properties of the spiral spring.

[0033] Ein weiterer Vorteil von der Beschichtung der Spiralfedern mittels HiPIMS ist die Möglichkeit alle benötigten Schichten in demselben Arbeitsgang aufzubringen. So kann zuerst auf das Silizium eine amorphe Schicht aus beispielsweise Siliziumnitrid aufgebracht werden, anschliessend wird die Innenelektrode aufgebracht. Es kann ist aber auch möglich auf die Innenelektrode zu verzichten, wenn die amorphe Zwischenschicht nur sehr dünn ist, und das hochdotierte und somit Leitfähig Silizium der Spiralfeder als Innenelektrode zu verwenden. Another advantage of coating the spiral springs using HiPIMS is the possibility of applying all the required layers in the same operation. For example, an amorphous layer of, for example, silicon nitride can first be applied to the silicon, and then the inner electrode is applied. However, it is also possible to dispense with the inner electrode if the amorphous intermediate layer is only very thin, and to use the highly doped and thus conductive silicon of the spiral spring as the inner electrode.

[0034] Auf die amorphe Zwischenschicht wird dann eine Seedschicht aus beispielsweise AIN aufgebracht, und danach wird die piezoelektrisch aktive Schicht aus AIN und AxSc1-xN aufgebracht. Nach dem Aufbringen der AIN / AxSc1-xN Schicht, die beispielsweise eine Gesamtschichtdicke von 2um aufweist, werden anschliessend in demselben Prozess auch noch die Elektroden aufgesputtert, beispielsweise mit einer Haftschicht aus Titan und einer leitfähigen Schicht aus Gold. So können alle funktionellen Schichten die notwendig sind in demselben Prozess aufgebracht werden. Es ist dann nur noch notwendig nach dem Beschichtungsprozess die leitfähige Schicht auf der Ober- und Unterseite des Wafers mittels eines geeigneten Verfahrens zu entfernen, vorzugsweise durch Ätzen. Dadurch wird diese Schicht in zwei Teile geteilt, die als Elektroden verwendet werden. A seed layer made of, for example, AlN is then applied to the amorphous intermediate layer, and then the piezoelectrically active layer made of AlN and AxSc1-xN is applied. After applying the AlN / AxSc1-xN layer, which has a total layer thickness of 2 µm, for example, the electrodes are then sputtered on in the same process, for example with an adhesive layer made of titanium and a conductive layer made of gold. In this way, all functional layers that are necessary can be applied in the same process. It is then only necessary after the coating process to remove the conductive layer on the top and bottom of the wafer by means of a suitable method, preferably by etching. This divides this layer into two parts that are used as electrodes.

[0035] Um eine möglichst uniforme Schichtdicke zu erreichen wird der Wafer idealerweise während dem Beschichtungsvorgang um mindestens eine Achse gedreht. Besser ist es den Wafer um 2 Achsen zu drehen. Dies kann beispielsweise so gemacht werden indem der Wafer im Reaktor vertikal gestellt wird. Als erstes wird jetzt der Wafer um die Horizontale Achse gedreht, so wie sich ein Rad um die eigene Achse dreht. Zusätzlich dazu wird der Wafer auch noch um eine vertikale Achse gedreht. So kann sichergestellt werden, dass die Gravitation nur einen minimalen Einfluss auf die Geometrie der im Wafer beweglichen Spiralfedern hat, da sich die Verformungen in Folge der Gravitation während einer Umdrehung um die horizontale Achse im Durschnitt wieder aufheben. In order to achieve a layer thickness that is as uniform as possible, the wafer is ideally rotated about at least one axis during the coating process. It is better to rotate the wafer around 2 axes. This can be done, for example, by placing the wafer vertically in the reactor. First of all, the wafer is now rotated around the horizontal axis, just like a wheel rotates around its own axis. In addition to this, the wafer is also rotated around a vertical axis. This ensures that gravity has only a minimal influence on the geometry of the spiral springs that are movable in the wafer, since the deformations due to gravity cancel each other out on average during one rotation around the horizontal axis.

[0036] Normalerweise ist Sputtern ein gerichteter Vorgang. Dies kann dazu führen, dass die Schicht in der Richtung aufwächst, aus der das Sputtern erfolgt. AIN wächst normalerweise immer senkrecht zur Oberfläche auf. Beim normalen Sputtern kann es aber durch den gerichteten Sputterprozess dazu führen, dass die Kristalle nicht senkrecht (also C-Achsen Orientierung) zur Oberfläche des Wafers aufwachsen, sondern schräg zur Oberfläche. Typically, sputtering is a directed process. This can lead to the layer growing in the direction from which the sputtering takes place. AIN normally always grows up perpendicular to the surface. In normal sputtering, however, the directional sputtering process can lead to the crystals not growing perpendicular (i.e. C-axis orientation) to the surface of the wafer, but rather at an angle to the surface.

[0037] Das Drehen des Wafers um mindestens eine Achse hat auch den Vorteil, dass das Sputtern im Durschnitt nicht mehr ein gerichteter Vorgang ist. Das Beschichten erfolgt aus allen möglichen Richtungen. Wenn beispielsweise die Targets vertikal angeordnet sind, und das Sputtern horizontal gerichtet erfolgt ist es sinnvoll den Wafer, um mindestens die vertikale Achse zu drehen. Das führt dann dazu, dass der Wafer mit Atomen aus allen möglichen Richtungen beschossen wird, und nicht nur aus einer Richtung. Wenn der Wafer dann zugleich mit der Drehung um die vertikale Achse auch noch um eine horizontale Achse gedreht wird, kann sichergestellt werden, dass im Mittel die Schicht uniform aufwächst und die Orientierung der Kristalle nicht gestört wird. Rotating the wafer about at least one axis also has the advantage that on average sputtering is no longer a directed process. The coating takes place from all possible directions. If, for example, the targets are arranged vertically and the sputtering takes place horizontally, it makes sense to rotate the wafer about at least the vertical axis. This then leads to the wafer being bombarded with atoms from all possible directions, and not just from one direction. If the wafer is then rotated about a horizontal axis at the same time as the rotation about the vertical axis, it can be ensured that on average the layer grows uniformly and the orientation of the crystals is not disturbed.

[0038] Um einer möglichen Verformung der Spiralfedern bei der Beschichtung durch die Auswirkungen der Gravitation entgegenzuwirken, wird der Wafer ein oder mehrere Male während des Herstellungsprozesses in eine andere Position gebracht. Somit sollten sich die Auswirkungen der Gravitation während des Beschichtungsprozesses verringern oder ganz ausschließen lassen. In order to counteract a possible deformation of the coil springs during the coating by the effects of gravity, the wafer is brought into a different position one or more times during the manufacturing process. Thus, the effects of gravity during the coating process should be reduced or eliminated entirely.

Claims

1. Process for coating a spiral spring, with the following steps: a substrate (204) is provided; a piezoelectric coating (207) is applied to this substrate; characterized in that - said piezoelectric coating (207) has a crystalline structure in which the orientation of the grown crystals is essentially perpendicular to the surface and that the named coating is applied by means of a pulsed coating process based on a target and a pulsed excitation source.

2. The method according to claim 1, characterized in that said coating is applied by means of high-energy pulse magnetron sputtering (HiPIMS).

3. The method according to claim 1, characterized in that said coating is applied by means of a pulsed laser deposition.

4. The method according to claim 1, characterized in that said coating is applied by means of a pulsed laser epitaxy.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, in which said piezoelectric coating (207) consists of one or more different layers.

6. The method according to claim 5, in which at least one layer which contains at least 30% aluminum nitride or at least 30% aluminum-scandium nitride comprises.

7. The method according to claim 6, in which the piezoelectric properties of an aluminum nitride layer (207) are improved by adding scandium during the sputtering.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, in which the thickness of said piezoelectric coating (207) is between 1 and 3 microns.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, in which said substrate (204) comprises silicon.

10. The method according to any one of claims 1 to 9, in which an amorphous intermediate layer, for example a silicon dioxide layer (205), is present on said substrate (204).

11. The method according to claim 10, in which a conductive layer, for example a layer of for example 10-50 nm titanium or aluminum (206), is applied to the amorphous intermediate layer (205).

12. The method according to any one of claims 1 to 11, in which a 10-100 nm thick layer of amorphous material is applied to the named piezoelectric layer (207) by means of atomic layer deposition (ALD).

13. The method according to any one of claims 1 to 12, in which two electrodes (208) are attached to the piezoelectric layer (207) by sputtering a conductive layer and then separating this layer into two electrodes.

14. The method according to any one of claims 1 to 13, in which said substrate is rotated about two axes during coating.

15. Coil spring which was produced by the method of any one of claims 1 to 14.

16. Control element with a balance, a spiral spring made of piezoelectric material, which was produced with the method of one of claims 1 to 14, and electronics regulating the course of the balance.