CN105000530A

CN105000530A - 制造强化的钟表组件的方法和相应的钟表组件和钟表

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Publication number: CN105000530A
Application number: CN201510202170.2A
Authority: CN
Inventors: 理查德·博萨尔特; 丹尼斯·法韦
Original assignee: Montres Rolex SA
Current assignee: Rolex SA
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2015-04-24
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2035-04-24
Also published as: EP2937311B1; CN105000530B; EP2937311A1; US20150309474A1; JP6688010B2; JP2015210270A

Abstract

本发明涉及制造强化的钟表组件的方法和相应的钟表组件和钟表。该制造方法由可微加工材料来制造零件(10)，所述零件(10)形成钟表组件的坯料并且包括至少一个具有初始粗糙度的表面。所述方法包括在旨在降低所述表面的粗糙度的蚀刻流体中对零件进行机械强化处理的步骤。例如，提供所述可微加工材料的基材；基材被包含至少一个开口的保护涂层至少部分覆盖；通过保护涂层中的开口来蚀刻基材并且因此获得蚀刻表面；通过保护涂层中的开口对所述蚀刻表面施加机械强化处理；并且然后去除保护涂层。蚀刻流体可以是等离子体或液体化学蚀刻剂。

Description

制造强化的钟表组件的方法和相应的钟表组件和钟表

技术领域

本发明涉及由可微加工材料，例如硅，来制造钟表组件的方法。

背景技术

就制造钟表组件而言，硅是有许多优势的材料。一方面，其使得以微米级精度同时制造大量小零件。另一方面，其具有低密度和抗磁特征。但是，该材料具有个缺点：其塑性变形区域小或不存在，从而使得其是相对易碎的材料。机械应变或机械冲击可导致组件裂化。所以，处理由硅制造的钟表组件，尤其在它们制造和它们安装期间，成为一种特别棘手的工作。

用于从硅基材上切割钟表组件的技术，例如一般是深蚀刻技术、深反应离子蚀刻(DRIE)加重了这些硅钟表组件的脆性。该类型的蚀刻的特殊性在于其形成开口，其具有稍微有条纹的侧壁，在它们的表面上包含为如它们在本领域已知的子波或“扇贝”形式的平面度缺陷。结果，蚀刻的侧壁具有一定的粗糙度，其降低了组件的机械强度。此外，平面度缺陷可作为裂纹起始源，尤其在机械应变下，并且导致组件破裂。

为了改善由硅制造的钟表组件的机械特性，已经提出了许多方法。

第一个方法，描述在文档EP 2 277 822中，其由通过在包括900℃和1200℃之间的温度下热氧化硅形成二氧化硅层组成。形成的氧化物层源自组件表面上的硅转化成二氧化硅。二氧化硅然后溶解。二氧化硅层的形成和其溶解使得去除潜在地包括缺陷和/或裂纹起始源的硅的表面部分。

第二个方法，描述在文档CH 703 445中，由向蚀刻之后获得的硅零件(即钟表组件坯料)在约1000℃温度下还原气氛中施加退火处理。根据该文档，退火处理造成硅原子迁移，这些原子从凸角(比如扇贝和边缘的尖端)迁移并且积聚在凹角，从而降低了侧壁和圆边缘的粗糙度。

发明内容

本发明提出了之前建议的方法的替代性方案。

对于该目的，本发明涉及制造钟表组件的方法，其中形成钟表组件的坯料的零件由可微加工材料产生，所述零件包括至少一个具有初始粗糙度的表面，其中包括在蚀刻流体中对零件进行机械强化的步骤，旨在降低所述表面的粗糙度的。

术语“流体”在本文必须理解为物理意义上的术语。物理学上，“流体”形成包括液体、气体和等离子体(并且某些程度上包括某些塑料固体)的物质相的子集。

有利地，在蚀刻流体中对零件进行机械强化的步骤是各向同性类型的。

本发明的方法具有不需要使用高温的优势。

在一种具体的实施方式中，该方法包括下述步骤：

·提供所述可微加工材料的基材；

·用包含至少一个开口的保护涂层至少部分覆盖基材；

·通过保护涂层中的开口来蚀刻基材并因此获得蚀刻的表面；

·通过保护涂层中的开口对所述蚀刻表面施加机械强化处理；和

·然后去除保护涂层。

现有技术的两个方法的目的是减少硅零件侧壁上的表面缺陷，但是伴随着潜在的所不期望的效果：零件的尺寸基本上被第一方法改变而边缘被第二方法变圆。

根据本发明，可在零件上仍存在有保护涂层的情况下由蚀刻流体进行处理。基于这样的优点，仅仅蚀刻的表面被选择性地处理并变光滑，被保护涂层覆盖的表面保持未蚀刻。该选择性机械强化处理的实施简单，因为不需要另外的步骤，而再利用已经产生的用于蚀刻的保护涂层。因此，用于蚀刻而被保护的表面(例如硅片的顶面和底面，其可被抛光并且具有抛光的镜面磨光)在该处理中不被蚀刻并且因此没有被后者损伤的风险。此外，根据本发明，边缘不因该处理而变圆。

机械强化处理可以是等离子体处理或液体化学蚀刻剂中的处理。等离子体可由包含卤素的气体和尤其包含氟或氯的气体形成。在该情况下，有利地，组件坯料在等离子体处理期间被电偏压。基于这样的优点，等离子体蚀刻会集中在电场最高的点，换句话说在从零件表面突出的尖端和凸起上。这具有使表面的粗糙度平滑的作用。

有利地，该方法包括所有或一些下述另外的特征：

-等离子体由包含卤素的气体且尤其包含氟或氯的气体形成；

-零件在等离子体处理期间被电偏压；

-液体化学蚀刻剂包括酸或碱，尤其氢氧化钾或氢氟酸、硝酸和/或乙酸的混合物；

-蚀刻开口以穿过基材，并向基材中所述开口的侧壁施加蚀刻处理；

-通过深蚀刻，尤其通过深反应离子蚀刻(DRIE)来蚀刻该基材；

-保护涂层由光刻胶或二氧化硅构成；和/或

-使用LIGA技术或使用激光器切割技术来制备组件坯料。

本发明也涉及通过上述限定的制造方法所获得的钟表组件，并涉及包含该钟表组件的钟表组件。

附图说明

通过参考附图显示的制造根据本发明的钟表组件的方法的一种具体实施方式，和其变型实施方式的下述说明，将更好地理解本发明，其中：

-图1显示根据一种具体的实施方式的处理钟表组件的工具，其用于实施本发明的方法；和

-图2显示该方法步骤的流程图。

具体实施方式

本发明的方法使得具有强化的机械特性的钟表组件由可微加工材料制造。通过示意性和非限制性实施例，这些组件可以是齿轮、擒纵轮、曲柄、冲击销、棘爪或弹簧，尤其回位弹簧或游丝(螺旋弹簧)。

图2显示了根据本发明的第一实施方式制造钟表组件的各步骤的流程图。

根据该第一实施方式，方法包括初始步骤E0，其由提供由可微加工材料构成的基材组成。基材是例如硅片，标记为Si-WF。作为一种变型，可替换使用由石英、金刚石或适于制造钟表组件的任何其他可微加工材料构成的基材。

在下面步骤E1中，晶片Si-WF的整个表面且尤其其两侧(前侧和后侧)，在这里用保护涂层覆盖。作为一种变型，仅仅两侧中的一个，例如前侧可用保护涂层覆盖。保护涂层R在这里由前侧上的光刻胶构成。

然后，本方法继续至在保护涂层R中形成抗蚀剂图案的步骤E2。通过经光刻胶层R形成开口来产生抗蚀剂图案。包含开口的保护涂层R形成保护掩模M。可将抗蚀剂通过掩模来曝光，然后显影抗蚀剂(即使用显影剂来溶解，抗蚀剂的曝光或非曝光部分取决于是否抗蚀剂是阳性或阴性的)以产生开口。作为一种变型，可使用激光器烧蚀技术或通过显影之后施加电子束去除抗蚀剂。

步骤E2随后是通过保护掩模M蚀刻硅片的步骤E3，在这里通过深反应离子蚀刻(DRIE)。在蚀刻步骤E3中，在与掩模M中一个或多个开口垂直的硅Si-WF中蚀刻一个或多个开口或孔T。蚀刻孔T优选地刚刚穿过晶片Si-WF。但是，可蚀刻一个或多个不透孔。

DRIE蚀刻技术是定向的。其通过施加交替轮的等离子体蚀刻，以蚀刻每个孔T的底部，并将保护层沉积在新蚀刻的侧壁上来起作用。基于这样的优点，使硅的蚀刻定向，以产生仅仅垂直每个开口而延伸的孔T，穿过保护掩模M而不是在掩模下延伸。这样的交替的等离子体蚀刻和在侧壁上沉积保护层，在后者的表面上产生称为“扇贝”形式的平面度缺陷，使得表面粗糙。

蚀刻步骤E3随后是对蚀刻之后获得的硅零件进行机械强化的步骤E4，该零件形成钟表组件坯料。机械强化处理由这样的处理组成：其中前面步骤E3中蚀刻的表面(在该情况下是通过蚀刻产生的孔的侧壁)在流体中被处理(特别地被再蚀刻)。

在本文描述的实施方式中，侧壁上使用的处理是等离子体处理。等离子体可由包含卤素的气体比如包含氟的气体(例如NF₃、CF₄或SF₆)或包含氯的气体形成。其也可包括非活性稀释剂气体比如氦或氩。

此外，在等离子体处理期间，硅基材在这里被电偏压。使硅偏压从而使得等离子体蚀刻集中在电场更强的点，换句话说在从零件表面突出的尖端和凸起上。

例如，等离子体处理的条件和参数，由包含SF₆的气体形成的等离子体，可以是如下：

-气体包含按体积计10％至85％的SF₆；

-气体流的流速为1至200sccm；

-腔室中的气压为0.1Pa至5Pa；

-等离子体源功率为500W至3000W；

-基材的偏压为-10V至-40V；

-基材温度为20℃至120℃；和

-处理时间为30s至300s。

等离子体处理具有使蚀刻孔的侧壁平滑并且从而降低它们的粗糙度的作用。基材的偏压进一步强化了等离子体处理的平滑作用。因此大大降低了,或甚至消除了蚀刻的孔的侧壁的平面度缺陷，获得了硅零件的机械特性，尤其其机械强度的改善。此外，改善了处理的表面的摩擦学摩擦特性。

注意，实施的等离子体处理形成各向同性的蚀刻。这种特征涉及均等腐蚀(蚀刻)速度，不依赖于待平滑表面的平面取向。在存在没有平坦表面的组件的情况下，如果不考虑处理所需时间的话，这会使得达到均质和满意的结果。

图1显示用于进行平滑等离子体处理的处理工具。工具6包括反应腔室1，其以围墙8为界。腔室1经过用来由前体气体2产生离子和自由基(分别由三角形和正方形表示)的电感耦合的等离子体(ICP)腔室3连接至前体气体2(由圆圈表示)的入口。腔室1也包括泵出口4，离子和自由基通过泵出口4从腔室1排出。旨在固定待处理零件的固定器5放置在腔室1中。固定器5连接至发电机7，也连接至围墙8，如图1中所显示。因此，发电机7对放置在固定器5上的待处理的零件产生偏压。

在保护掩模M仍存在于硅基材上的情形下进行机械强化处理。基于这样的优点，处理是选择性的，即其仅仅施加至未被抗蚀剂覆盖的表面。因此，蚀刻开口的侧壁被选择性变光滑。被抗蚀剂覆盖的表面仍被保护并且没有被等离子体处理损伤的风险，所述等离子体处理潜在地可能大体上损害它们的光洁度。这在表面具有抛光镜面磨光的情况下尤其是这样。这种表面可能被机械强化等离子体处理轻微损伤。保护抗蚀剂涂料使得这些表面完美地保持完整。此外，处理的选择性特征使得能够在零件的前侧和穿过硅的开口的侧壁之间不产生斜面或边缘变圆。

该方法的另一优势是其使得在平滑和机械强化处理步骤E4之后，可将附加层仅仅选择性沉积在侧壁上，而不必进行掩盖零件前面和/或后面的选择性的附加步骤。另外，由于在步骤E4结束时获得的粗糙度下降，而强化了这种沉积的粘合。

方法继续至步骤E5，以常规方式通过溶解抗蚀剂来去除掩模M。

在已经去除抗蚀剂之后，方法可任选地包括两次热氧化，经步骤E6至E8来进行。在步骤E6中，通过热氧化硅的表面来形成二氧化硅SiO₂的第一层C1，以该方式对去除抗蚀剂的步骤E5之后获得的零件的整个表面进行氧化。在步骤E7中，通过化学蚀刻，例如使用氢氟酸溶液去除氧化层C1。接下来，在步骤E8中，通过热氧化硅的表面来形成二氧化硅的第二层C2，以该方式对比如由前述步骤E7获得的零件的整个表面进行氧化。形成第一氧化物层C1，然后将其去除使得可能去除起初在硅(其在步骤E6中转化成二氧化硅)部分中存在的表面缺陷。形成第二氧化物层C2，使得可能去除甚至更多的表面缺陷。具体而言，将硅表面转化成二氧化硅使得如果需要的话，表面微开口消失和微裂缝封闭。

代替两次氧化，可仅仅实施氧化和去除氧化物层的步骤E6和E7，或甚至仅仅实施氧化步骤E6。

代替等离子体，机械强化步骤E4可使用流体，尤其是液体、包括碱或酸的化学蚀刻剂。有利地，具有各向同性作用的流体，如包括基于氢氟酸的混合物(“HNA”)是优选的，从而避免用其他流体，例如氢氧化钾(“KOH”)或四甲基氢氧化铵(“TMAH”)处理的各向异性作用。

使用各向同性的强化处理，风险是细微地改变组件的由保护涂层限定的几何形状，原因是硅不同平面间的不同的腐蚀速度。初始圆形微蚀刻可能变成矩形。这种各向同性的处理仍是本发明的第二实施方式。

在步骤E4中，步骤E3中获得的待处理的零件可浸入在包含这些蚀刻剂流体之一的浴中以达到预定的时间长度。

这些流体化学蚀刻剂使得裸露的硅表面，即蚀刻开口的侧壁，被直接蚀刻并且这些裸露的表面通过化学蚀刻变光滑。保护涂层R的性质适合于所使用的液体化学蚀刻剂。无论如何，调整涂料R的厚度和浸入液体化学蚀刻剂的浴中花费的时间长度，从而保护涂层在液体化学蚀刻剂浴的整个处理中有效地保护覆盖的表面。

在上述说明书中，对硅零件的进行机械强化的步骤E4是在去除保护涂层之前进行的。作为一种变型，该步骤可在抗蚀剂已经被去除之后，或甚至在一个或多个氧化步骤(E6至E8)之后进行。

保护涂层可由二氧化硅SiO₂而不是由光刻胶构成。

根据本发明，机械强化处理(步骤E4)可施加至使用蚀刻之外的技术，例如使用LIGA技术或激光器切割技术产生的零件(钟表组件或钟表组件坯料)。在通过LIGA由抗蚀剂模具制造的零件情况下，等离子体蚀刻(或流体化学蚀刻剂中的蚀刻)使得零件的接触抗蚀剂模具的那些表面变光滑。在通过激光器切割制造的零件的情况下，等离子体蚀刻(或流体化学蚀刻剂中的蚀刻)使得被激光器切割的表面变光滑。

本发明也涉及使用上述制造方法制造的钟表组件以及包括该钟表组件的钟表。

Claims

1.一种制造钟表组件的方法，其中，形成钟表组件的坯料的零件由可微加工材料构成，所述零件包括至少一个具有初始粗糙度的表面，其中，所述方法包括通过旨在降低所述表面的粗糙度的蚀刻流体来对所述零件进行机械强化的步骤(E4)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过所述蚀刻流体对所述零件进行的所述机械强化处理是各向同性类型的。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中包括下述步骤：

·提供所述可微加工材料的基材(E0)；

·用包含至少一个开口的保护涂层至少部分覆盖基材(E1-E2)；

·通过保护涂层中的开口对基材进行蚀刻并因此获得蚀刻的表面(E3)；

·通过保护涂层中的开口对所述蚀刻表面施加所述机械强化处理(E4)；和

·然后去除保护涂层(E5)。

4.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述机械强化处理(E4)是等离子体处理或用液体化学蚀刻剂的处理。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述等离子体由包含卤素的气体且尤其包含氟或氯的气体形成。

6.根据权利要求4和5任一项所述的方法，其中所述零件在等离子体处理期间被电偏压。

7.根据权利要求4所述的方法，其中所述液体化学蚀刻剂包括酸或碱，尤其氢氧化钾或氢氟酸、硝酸和/或乙酸的混合物。

8.根据权利要求3至7任一项所述的方法，其中蚀刻开口以穿过所述基材，并且对所述基材中所述开口的侧壁施加蚀刻处理。

9.根据权利要求3至8任一项所述的方法，其中通过深蚀刻，尤其通过深反应离子蚀刻DRIE来蚀刻所述基材。

10.根据权利要求3至9任一项所述的方法，其中所述保护涂层由光刻胶或二氧化硅构成。

11.根据权利要求1所述的方法，其中使用LIGA技术或使用激光切割技术制造组件坯料。

12.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述可微加工材料是下述材料之一：硅、金刚石和石英。

13.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中钟表组件是下述之一：齿轮、擒纵轮、曲柄、冲击销、棘爪和弹簧，尤其是回位弹簧或游丝。

14.通过根据权利要求1至13任一项所述的制造方法所获得的钟表组件。

15.包括根据权利要求14所述的钟表组件的钟表。