CN101573287B - 多层的硅微机械零件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本方法包括以下步骤：a)在第一硅片(1)中加工出第一元件(3)或多个所述第一元件(3)并通过材料桥(5)保持所述元件(3)连接在一起；b)用第二硅片(2)重复步骤a)以便加工出与第一元件(3)的形状不同的第二元件(4)，或者加工出多个所述第二元件(4)；c)借助定位装置(6、7)将第一和第二元件(3、4)或第一和第二硅片(1、2)面对面叠放；d)对形成于步骤c)的组合件进行氧化；以及e)从硅片(1、2)分离出零件(10)。通过本方法获得了钟表微机械零件。

Description

多层的硅微机械零件的制造方法
技术领域
本发明涉及多层的硅微机械零件的制造方法和由此方法获得的零件，这些零件尤其用在钟表制造领域。 
背景技术
硅微机械零件的现有制造技术允许零件侧面的垂直度被控制得足够好，以便将这些零件用作钟表机构的构件。然而，采用现有技术从单块硅片制造具有多层的零件仍然十分困难。 
本文建议了一种生产多层零件的替代方法。本方法描述了如何仅从采用现有方法生产的单层硅零件获得多层硅零件。 
发明内容
本发明的目的是为从单层商售硅片制造多层微机械零件提供简单经济的解决方案，所述零件(无论是固定的还是活动的)尤其使用在钟表机芯的构造中。 
为此，本发明涉及一种方法： 
a)采用化学方法、物理方法或两法兼用，在第一硅片中加工出第一元件或在同一硅片上加工出多个所述第一元件； 
b)用第二硅片重复步骤a)以便加工出与第一元件的形状不同的第二元件，或者在同一硅片上加工出多个所述第二元件； 
c)借助定位装置将第一元件和第二元件或第一硅片和第二硅片面对面叠放； 
d)对形成于步骤c)的组合件进行热氧化，即在氧化剂混合物中放置大约2-4小时；以及 
e)分开各零件。 
本方法允许精确地构造待获得的最终零件的每个元件，所采用的技术已经在厚度小于1mm的硅片中得到了验证。 
在步骤c)中，在进行热氧化以将两个元件物理连接在一起之前，可以使用不同的定位装置以确保应构成最终零件的两个元件的精确定位。在 下文的具体实施方式部分，给出了定位装置的两个实例，它们要么使用了在构造元件的同时形成于每块硅片中的定位装置，所述元件因此通过材料桥彼此连接，要么使用了允许将硅片或从硅片脱离下来的元件一个定位在另一个上的模具。 
用于氧化硅片之间界面的步骤d)可以通过使用干燥氧的干法或者通过使用水蒸汽的湿法进行，例如根据本领域技术人员熟知的技术在加热到温度介于900℃-1200℃的炉子中进行，这些技术例如在著作“Semiconductor devices：physics and technology-editions JohnWiley & Sons，ISBN 0-471-874-8-01.01.1985 p.341-355”中有记载。 
该氧化也可以通过本领域技术人员已知的任何其它方式来进行，例如采用激光放大氧化技术。 
也可以通过加工第三硅片来获得多于两层的零件，这可包含到本方法的步骤c)中，或者在步骤e)之后重复步骤c)、d)、e)。 
本发明的方法允许容易地制造多层的硅微机械零件，例如用于钟表机芯的轴承、夹板或开槽桥、减速运动部件等。 
附图说明
在下文对具体实施例的描述中并参考附图，本发明的其它特征和优点将变得更清晰，给出的这些实施例为说明性和非限制性的，在附图中： 
图1是获得具有孔石和托石的轴承的方法的各步骤的示意图； 
图2示出了能够通过本方法获得的另一种轴承；以及 
图3示出了能够通过本方法获得的减速活动部件。 
具体实施方式
图1是获得硅轴承10的方法的各步骤的示意图，硅轴承10的第一元件3形成“孔石”，硅轴承10的第二元件4形成“托石”。就这些宝石的尺寸而言，厚度通常包含在0.12-0.35mm的范围内，直径通常包含在0.70-1.80mm的范围内。 
在第一步骤a)中，在第一硅片1中加工出第一元件3，但优选地加工出多个所述第一元件3。实际上，从直径可介于75mm-大约300mm的商售硅片出发，可以构造出多个直径小于2mm的元件。该硅片的厚度一般小于1mm，这是与钟表件的尺寸相兼容的，但可以通过化学蚀刻来将此厚度加工到所 期望的精确尺寸。优选地，要确保硅片的一个面未被抛光，无论其卖出时就是这样还是进行过轻微打磨都是如此。 
元件3在硅片1中的构造是采用本领域技术人员公知的方法通过对成形的掩模进行光刻和蚀刻而进行的。这个蚀刻可以根据也是本领域所公知的加工硅的其它方法来实施。允许获得最好纵横比的方法是RIE(反应离子蚀刻)技术，最好纵横比意味着切割面垂直于零件的表面。 
此技术及其需要针对每种特殊情况进行的适应性改变已经为本领域技术人员所熟知，因此不再进一步描述。 
在第一步骤中，提供材料桥5以便保持元件3连接到其支撑硅片1。这种构造方法也在硅片1中形成使硅片1相对于硅片2定位的元件。举例来说，这些定位装置由两个穿孔6构成，标号7表示其它的定位装置，这将在下文中解释。 
非常明显的是，根据所使用的定位方式，每块硅片的各元件之间的材料桥5不是必需的。 
在步骤b)中，从第二硅片2出发，重复与步骤a)一样的过程，以便成形出第二元件4即“托石”和与第一硅片的定位装置6重合的定位装置6。在这个例子中，元件3和元件4具有相同的直径。 
当在步骤a)和步骤b)中所使用的硅片1和硅片2具有至少一个未抛光面时，无需进行预先表面处理就可以进行它们的组装，只需将一个未抛光面叠放到另一个未抛光面上即可。如果每块硅片的两面都已被抛光，则优选地需要进行预先表面处理，使得待叠放在一起的两个面要么略微粗糙，要么覆上一层比自然形成的氧化物膜略厚的氧化硅膜。 
如在图中左边部分所示，步骤c)的目的是将这两块硅片1、2一个定位在另一个上，并例如借助销16固定该定位以形成组合件11。 
图中右边部分示出了定位的第二实例。首先，通过使材料桥5断裂，将第二元件4从第二硅片2脱离下来，或者不预留材料桥5而获得第二元件4，然后，将第二元件4定位在石英模具18的相应腔槽中。接着，叠放第一硅片1，借助加工于其边缘的槽缝7将其定位，所述槽缝7与模具18的凸销17接合以形成组合件13。利用包含具有合适深度的腔槽的模具18，也可以获得从第一硅片1分离下来的第一元件3以便将其放置在模具18中。 
在步骤d)中，将一系列组合件11或13放置在滑架15上，再将滑架15放入到温度介于900℃-1200℃的炉子8中，在炉子8中使氧化剂混合物9循 环流动大约2-4小时。将通过硅氧类型的键把两块硅片1、2连接在一起的这一氧化步骤，要么通过采用包含惰性载体气体和干燥氧的混合物的干法进行，要么通过用水蒸汽替代氧的湿法进行。 
此步骤结束之后，将滑架15从炉子18中取出，让组合件11或13回到环境温度，然后通过使残留的材料桥5断裂将如此形成的零件10分开。这样，如此获得的轴承10就可以使用了，将其安装在底座12中以接收钟表机芯活动部件的枢轴14。 
图2示出了实施例的一种变型，在该变型中，轴承20的宝石3、4不具有相同的直径。在这种情况下，优选地将采用使用这样的模具18的方法变型，即所述模具可以有利地成形出能够同时容纳元件3和元件4的多层腔槽并将它们相对于彼此定位。 
图3示出了根据本发明的方法可以获得的另一种零件30。这是通过组装形成的减速活动部件，其中元件3为小齿轮，元件4为齿轮，元件3和元件4被心轴孔29穿过。 
刚刚描述的这些实例涉及双层微机械零件的制造，但很明显，可以制造更多层。为此只需要从三块或更多块硅片出发或者在完成步骤e)之后重复该方法即可。 
本发明并不局限于刚刚描述的这些实例，本领域技术人员可以实施本方法以获得其它的微机械零件。 
本发明也不局限于小尺寸的零件。对于更大尺寸的零件，例如包括埋头孔的钟表机芯夹板或机芯桥，也可以有利地实施本方法。这样的零件的厚度在2mm的数量级并且从单块商售硅片出发是无法实现的。 

Claims (13)

1.一种用单晶硅或多晶硅制造具有至少两层的用于钟表机构的微机械零件(10、20、30)的方法，包括以下步骤：
a)采用化学方法、物理方法或两法兼用，在第一硅片(1)中加工出所述零件的第一元件(3)或加工出多个所述第一元件(3)；
b)用第二硅片(2)重复步骤a)以便加工出与第一元件的形状不同的第二元件(4)，或者加工出多个所述第二元件(4)；
c)借助定位装置(6、7)将第一和第二元件(3、4)或第一和第二硅片(1、2)面对面叠放；
d)对形成于步骤c)的组合件进行热氧化；以及
e)从第一和第二硅片(1、2)分离出零件(10)；
其中在步骤a)或b)结束之后，所述第一和第二元件中的至少一个元件(3或4)从其相应硅片(1或2)上脱离下来。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤d)中对组合件的氧化在加热到温度介于900℃-1200℃、存在有氧化剂混合物(9)的炉子(8)中进行，持续2-4小时。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在加工所述第一和第二元件(3、4)的同时加工所述第一和第二硅片中的一块硅片(1)相对于所述第一和第二硅片中的另一块硅片(2)的定位装置(6、7)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二元件中的每个都通过材料桥(5)保持在其各自的硅片上。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一和第二硅片(1、2)的定位装置由至少两个孔(6)构成，定位销(16)接合在所述孔中。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)或b)结束之后，从相应硅片(1或2)上脱离下来的所述第一和第二元件中的至少一个元件(3或4)定位在石英模具(18)中，在所述模具为此预留的凹槽中将第一和第二硅片的另一块硅片叠放在所述至少一个元件上，所述第一和第二硅片中的所述另一块硅片在其边缘包括至少一个槽缝(7)，该槽缝将与模具(18)的相应肋(17)接合。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)和b)结束之后，第一和第二元件(3、4)都从其各自的硅片(1、2)上脱离下来并定位在双层石英模具(18)中。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对在步骤c)中面对面叠放的硅片(1、2)的表面进行预先氧化。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对在步骤c)中面对面叠放的硅片(1、2)的表面进行预先处理以便赋予所述表面一定的粗糙度。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括至少一个附加步骤，即加工至少第三硅片以形成第三元件，与之前在步骤c)、d)、e)中的两个元件组装以便形成至少第三层。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一元件(3)被穿孔以接收枢轴，从而形成轴承垫。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一和第二元件(3、4)都被穿孔以接收心轴并且在其外径上都包括齿，从而形成传动活动部件。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一和第二元件(3、4)具有不同尺寸的外径以便形成减速活动部件。
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