CN111758077A

CN111758077A - 用于制造游丝的方法

Info

Publication number: CN111758077A
Application number: CN201980013834.7A
Authority: CN
Inventors: 米歇尔·德斯庞特; 弗雷德里克·科勒; 奥利维尔·汉兹克尔; 让-露丝·柏凯丽
Original assignee: Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Current assignee: Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Priority date: 2018-03-01
Filing date: 2019-02-21
Publication date: 2020-10-09
Anticipated expiration: 2039-02-21
Also published as: RU2020132035A3; JP2021525357A; US11822289B2; EP3759554B1; JP7254090B2; RU2020132035A; CN111758077B; US20200379408A1; TW201937077A; TWI774925B; WO2019166922A1; KR20200125589A; EP3759554A1

Abstract

根据本发明的方法包括以下连续步骤：a)提供基板(1)，其在确定平面(P)中延伸并承载平行于确定平面(P)的第一层(2)；b)在第一层(2)中形成至少一个通孔(3)；c)在第一层(2)上沉积第二层(4)，第二层(4)填充该至少一个通孔(3)以形成至少一个材料桥(7)；d)在由第二层(4)或基板(l)构成的蚀刻层(6a)中蚀刻至少一个游丝(5)，第二层(4)和基板(l)中的未蚀刻该至少一个游丝(5)的一个构成支撑件(6b)，该至少一个材料桥(7)将该至少一个游丝(5)垂直于确定平面(P)地连接至支撑件(6b)；e)消除第一层(2)，该至少一个游丝(5)通过该至少一个材料桥(7)保持附接至支撑件(6b)；f)使该至少一个游丝(5)经受至少一次热处理；g)使该至少一个游丝(5)从支撑件(6b)分离。

Description

用于制造游丝的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造游丝的方法，即用于制造包括螺旋形弹性薄片的弹簧的方法。在通常的应用中，游丝旨在配备至摆轮，以便与摆轮形成钟表机芯的谐振器。这种钟表游丝通常在其内端通过内桩紧固至摆轮轴，并且在其外端通过螺钉或其他紧固部件紧固至称为“夹板(coq)”的机芯桥。

背景技术

本申请人的专利申请EP 3181938描述了一种用于制造预定刚度的游丝的方法，根据该方法，a)形成尺寸大于获得预定刚度的游丝所需的尺寸的游丝，b)确定由此形成的游丝的刚度，c)计算为了获得预定刚度的游丝而要去除的材料厚度，以及d)从在步骤a)中形成的游丝去除计算出的材料厚度。这种方法允许提高尺寸精度并减少由同一晶片或不同晶片形成的游丝之间的制造偏差。通过重复步骤b)、c)和d)，可以进一步改善尺寸质量。步骤a)例如通过蚀刻硅晶片来实现。然后，步骤d)可以是例如通过热氧化作用使硅基游丝氧化，以便将要去除的材料厚度转化成氧化硅，然后去除氧化硅。在步骤d)之后，可以实施所谓的热补偿操作，以使游丝的刚度，更确切地为游丝所属于的谐振器的频率对热变化不敏感。因此，在硅制游丝的情况下，根据专利EP 1422436的教导，可以例如通过热氧化作用将该硅制游丝涂覆氧化硅层。该氧化硅层还用于增加硅制游丝的机械强度。

申请人的另一专利申请EP 3181939描述了一种用于制造预定刚度的游丝的方法，根据该方法，a)形成尺寸小于获得预定刚度的游丝所需的尺寸的游丝，b)确定由此形成的游丝的刚度，c)计算为了获得预定刚度的游丝而缺失的材料厚度，以及d)修改在步骤a)中形成的游丝以补偿缺失的材料厚度，可以重复步骤b)、c)和d)。该方法也允许提高尺寸精度并减少由同一晶片或不同晶片形成的游丝之间的制造偏差。步骤a)例如通过蚀刻硅晶片来实现。在步骤d)之后，可以实施热补偿操作，以使游丝的刚度，更确切地为游丝所属于的谐振器的频率对热变化不敏感。因此，在硅制游丝的情况下，根据专利EP1422436的教导，可以将该硅制游丝涂覆氧化硅层。该氧化硅层还用于增加硅制游丝的机械强度。

根据上述方法的常规实施方式，在步骤a)中，多个游丝在同一硅晶片中同时形成。这些游丝在步骤b)、c)和d)以及热补偿操作期间通过材料桥保持附接至晶片，之后从晶片分离。如专利申请EP 3181938的图7和专利申请EP 3181939的图6所示，这些材料桥将游丝的外部螺旋圈径向地连接至晶片。游丝的其他螺旋圈和内桩不能附接至晶片。

容易理解的是，这种将游丝附接到晶片的附接方式不允许在游丝的制造过程中、特别是在硅制游丝的热氧化操作中使游丝保持不变形。当晶片处于水平位置时，游丝不会保持平坦，而是呈凹形。在竖直位置时，螺旋圈的相对位置被改变了，某些螺旋圈在一侧彼此靠近而在另一侧彼此远离。在室温下，由于螺旋圈保持弹性，因此这些变形没有影响。相反地，在游丝被置于温度可能高于1000℃的烤炉中的热处理期间，这些变形变成永久性的，甚至由于硅的刚度减小而加剧。因此，所产生的游丝在其内端和外端之间可能存在大于每个螺旋圈的高度的高度差。这增加了游丝的尺寸，当该游丝安装在机芯中时，该游丝在正常运行或碰撞过程中可能会与其他组件接触，这可能引起损坏。游丝的这些永久变形还会在机芯的正常运行或碰撞过程中导致螺旋圈互相接触，并且导致螺旋圈彼此紧贴或紧贴例如夹板的机芯的某些部件。可能无法接触机芯的其他组件，例如用于调节走时的快慢针。此外，这些永久变形可能会影响等时性。

这些永久变形的程度根据螺旋圈的重量和刚度、在烤炉中经过的时间以及烤炉的温度而变化。可以通过改变后两个参数中的一个或另一个来减小该变形程度，但会损害生产率。

从申请人的专利EP 0732635中还已知一种用于制造微型机械部件的方法，根据该方法，在基板中挖出空腔，同时留下随后构成材料桥的部分，将结晶材料板焊接至基板。然后在结晶材料板中蚀刻出微型机械部件，然后通过材料桥将该部件以及同一批次的其他部件保持在基板上。该方法通过在部件上执行一个或多个其他处理来继续，并且通过断开材料桥以使部件与基板分离结束。通过这种方法，在蚀刻过程中，晶体材料板和基板之间的热交换不足以确保良好的蚀刻均匀性。另外，焊接操作是必要的。

发明内容

本发明旨在消除或至少减轻上述缺点，并且为此目的提出一种根据权利要求1的方法，在从属权利要求中限定了特定实施例。

附图说明

通过阅读以下参照附图的详细描述，本发明的其他优点和特征将显现，在附图中：

-图1至图8是示出根据本发明的用于制造一个或多个游丝的方法的连续步骤的剖视图；

-图9是示意性地示出游丝在其制造过程中附接至支撑件的附接点位置的游丝的顶视图。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的优选实施例的方法的第一步骤是提供硅制基板1，硅制基板1在平面P中延伸并且在硅制基板的平行于平面P的上表面上承载氧化硅(SiO₂)层2。如下所述地，根据待制造的一个或多个游丝是在基板1中或是在另一层中形成，基板1的厚度(高度)可以对应于待制造的一个或多个游丝的厚度，即通常为120μm，或者小于待制造的一个或多个游丝的厚度。然而，在第二种情况下，基板1是足够厚的，通常为几十微米，以防止基板1的变形。氧化硅层2的厚度例如为3μm。无论基板1的硅的晶体取向如何，基板1的硅可以是单晶的、多晶的或非晶态的。

然后例如通过光刻法来构造氧化硅层2，以在其中形成如图2所示的通孔3，这些通孔3中的单个在图2中可见。具体地，层2通过掩模来蚀刻，该蚀刻可以是湿式或干式的，然而为了更好的精度，优选地是使用等离子体的干式的。如此制成的孔3的直径优选地小于待制造的游丝的薄片的宽度。通常，孔3的直径约为5μm，待制造的游丝的薄片的宽度约为30μm。

在随后的步骤(图3)中，在氧化硅层2上例如通过外延附生来生长单晶硅、多晶硅或非晶态硅，以形成硅层4。在该步骤期间，氧化硅层2的孔3被层4的硅填充。根据待制造的一个或多个游丝是在层4中还是在基板1中形成，该硅层4的厚度对应于该待制造的一个或多个游丝的厚度，即通常为120μm，或者可以小于该待制造的一个或多个游丝的厚度。然而，在第二种情况下，层4是足够厚的，通常为几十微米，以防止其变形。特别是在第一种情况下，并且根据层4的上表面的状态，可以进行该上表面的抛光，诸如化学机械抛光CMP(Chemical Mechanical Polishing)，该抛光旨在消除与氧化硅层2的构造有关的生长缺陷并/或调整硅层4的厚度。

然后(参照图4)，通过深反应离子蚀刻(DRIE)来构造硅层4或硅基板1，以便形成一个或多个游丝5。在本说明书中，层4和基板1中被结构化的一个称为“蚀刻层”并以标记6a表示，而层4和基板1中的另一个称为“支撑件”并以标记6b表示。图4示出了变型，其中在层4中蚀刻游丝5且基板1构成支撑件6b。在图4中，仅显示了这些游丝5中的一个的一个螺旋圈的横截面。每个游丝5可以与其内桩同时并一体地形成，以将游丝5随后安装在摆轮轴上。

在该DRIE步骤期间，掩模被用于蚀刻，并且等离子体的核心温度约为180℃。例如通过吹扫支撑件6b的最远离蚀刻层6a的表面的氦，并且/或者通过冷却支撑支撑件6b的固定件的恒温冷却剂循环，将支撑件6b冷却至约20℃。支撑件6b的这种冷却经由氧化硅层2和蚀刻层6a冷却掩模，从而避免使得掩模烧毁以及蚀刻的质量受到影响。掩模的这种冷却尤其是通过支撑件6b与蚀刻层6a之间的热交换来实现的。与根据专利EP 0732635的方法相比，支撑件6b和蚀刻层6a之间的通过氧化硅层2的连续接触改善了热交换。在专利EP0732635中，实际上，在蚀刻区域中，由于预先在基板中挖出了空腔，因此在蚀刻期间，基板和晶体材料板仅通过材料桥连接。这在制造过程中不利于热交换和蚀刻的均匀性。

在本发明中，形成在蚀刻层6a中的游丝5通过氧化硅层2和填充孔3的硅而垂直于平面P地连接到支撑件6b。该填充孔3的硅构成材料桥7，该材料桥7与游丝5和支撑件6b是一体的。具有孔3的形状和尺寸的该材料桥7通常是具有圆形截面的柱形，然而材料桥7可以具有其他形状，诸如具有多边形截面或椭圆形截面的柱形。材料桥7位于游丝5的底部或顶部。优选地，在投影到平面P时，每个材料桥7完全位于游丝5的薄片的两个侧面5a、5b之间，只占该薄片的宽度L的一部分，例如小于该宽度L的50％、小于30％甚至小于20％，并且相对于两个侧面5a，5b居中以面向薄片的中性纤维。同样优选地，如图9示意性地所示，这些材料桥7分布在每个游丝5的整个长度上。

在根据本发明的方法的下一步骤中，例如通过化学侵蚀消除氧化硅层2(图5)。因此，游丝5仅通过材料桥7连接至支撑件6b。

然后实施专利申请EP 3181938中描述的方法，以给予游丝5预定的刚度。更具体地，使一些游丝5从支撑件6b分离，将这些游丝5联接至预定惯性的摆轮，测量振荡频率，计算该振荡频率的平均值，从该平均值推导出游丝5的刚度值，计算为了获得预定刚度而要从游丝5去除的材料厚度，并且从附接至支撑件6b的游丝5去除该材料厚度，可以重复这些步骤以改善游丝5的尺寸精度。为了去除计算出的材料厚度，将游丝5氧化然后再脱氧。为此，将支撑件6b-游丝5组件放入烤炉中使其经受800℃至1200℃之间的温度，并经受氧化气氛以在该组件的表面上获得预定厚度的氧化硅(SiO₂)。该氧化硅层是通过消耗大约相当于氧化硅厚度一半的深度的硅而形成的。在该热处理之后，例如通过化学侵蚀去除氧化硅层，以获得具有与预定刚度相对应的减小尺寸的游丝5(图6)。如专利申请EP 3181938中所述，游丝5的这种氧化/脱氧还允许显著减少在游丝5的侧面上由深反应离子蚀刻产生的起伏。

图7所示的根据本发明的方法的下一步骤可以是将游丝5涂覆热补偿层8，该热补偿层8由具有与硅的弹性模量热系数特征相反的弹性模量第一热系数的材料制成。根据专利EP 1422436的教导，该热补偿层8通常由氧化硅(SiO₂)制成。如上所述，该层8可以通过热氧化作用形成，将支撑件6b-游丝5组件放置在烤炉中，以使其经受800℃至1200℃之间的温度并经受氧化气氛，直至在支撑件6b-游丝5组件的表面上形成预定厚度的氧化硅。由于氧化硅在形成时会消耗相当于约为氧化硅厚度一半的深度的硅，因此图6中游丝5和支撑件6b之间的距离d必须大于热补偿层8的厚度，以防止游丝5和支撑件6b相互接触。因此，例如，针对3μm的热补偿层8的厚度，该距离d大于3μm、大于4μm、甚至大于5μm或6μm。热补偿层8，特别是当其由氧化硅制成时，还具有增加游丝5的机械强度的功能。

每个游丝的材料桥7的数量选择成足够大，以防止在进入烤炉期间游丝下陷并与支撑件6b接触。该数量尤其取决于游丝5的刚度。通过将支撑件6b-游丝5组件设置成在氧化阶段期间支撑物6b位于游丝5上方，可以减小该数量。

除了沿每个游丝5分布的材料桥7之外，可以在内桩和/或游丝的用于紧固至框架桥的刚性外端上设置材料桥。还可以保留将游丝5彼此侧向连接的材料桥，以形成齿边。

将游丝5连接至支撑件6b的该材料桥或附接件7允许避免或者至少减少游丝5在热氧化阶段期间的永久(塑性)变形。实际上，硅在室温下是易碎材料——它只能弹性变形——但硅似乎在约800℃至1000℃的温度范围内具有延展性。当游丝5放入烤炉时，游丝5的最初弹性且可逆的变形会在热处理过程中变成永久性的。支撑件6b和材料桥7限制了游丝5的变形，因此游丝5可以在其制造结束时具有接近其理论形状的形状。

在图8所示的根据本发明的方法的最后步骤中，通过利用工具破坏材料桥7，将游丝5从支撑件6b释放。在变型中，通过从支撑件6b的最远离游丝5的表面实施的使用掩模的蚀刻操作来消除材料桥7，可以释放游丝5。

无论用于释放游丝5的方式如何，材料桥7所在的游丝5的区域都不再被热补偿层8覆盖。然而，由于这些区域面向游丝5的中性纤维，因此这些区域在游丝5运行期间几乎不经受弯曲。因此，这些区域可以具有较小的机械强度。至于热补偿，其用处在游丝5的侧面很大，但在上下两侧却很小。因此，对于温度变化，在材料桥7的区域处缺少热补偿层对游丝5的性能几乎没有影响。

然而，如果希望在材料桥7断裂或消除之后避免游丝5的区域缺少热补偿层，则可以减小孔3的直径，并因此减小材料桥7的直径，以便在形成热补偿层8之后，材料桥7仅由氧化硅构成。

在本发明的变型中，每个游丝5的材料桥7由单个材料桥代替，在投影到平面P时，该单个材料桥形成连续的螺旋，该连续的螺旋遵循游丝5的薄片的螺旋形状。优选地，仍然是在投影到平面P时，该材料桥完全位于薄片的两个侧面5a、5b之间，仅占据该薄片的宽度L的一部分，例如小于该宽度L的50％、小于30％甚至小于20％，并且相对于薄片的两个侧面5a、5b居中。

本发明不限于上述的硅和氧化硅的材料。当然地，本发明可以应用其他材料，特别是针对涉及蚀刻层6a的材料，应用可以通过蚀刻构造的任意材料。本发明对于诸如硅、玻璃或陶瓷之类的在室温下易碎且在高温下易延展或可能易延展的材料是特别有利的。

Claims

1.一种用于制造至少一个游丝(5)的方法，包括以下连续的步骤：

a)提供基板(1)，所述基板在确定平面(P)中延伸并承载平行于所述确定平面(P)的第一层(2)，

b)在所述第一层(2)中形成至少一个通孔(3)，

c)在所述第一层(2)上沉积第二层(4)，所述第二层(4)填充所述至少一个通孔(3)以形成至少一个材料桥(7)，

d)在由所述第二层(4)或所述基板(1)构成的蚀刻层(6a)中蚀刻至少一个游丝(5)，所述第二层(4)和所述基板(1)中的未蚀刻所述至少一个游丝(5)的一个形成支撑件(6b)，所述至少一个材料桥(7)将所述至少一个游丝(5)垂直于所述确定平面(P)地连接至所述支撑件(6b)，

e)消除所述第一层(2)，所述至少一个游丝(5)通过所述至少一个材料桥(7)保持附接至所述支撑件(6b)，

f)使所述至少一个游丝(5)经受至少一次热处理，

g)使所述至少一个游丝(5)从所述支撑件(6b)分离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热处理或所述热处理中的至少一次在烤炉中实现。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述热处理或所述热处理中的至少一次在至少800℃、优选地至少900℃、优选地至少1000℃、优选地至少1100℃、优选地至少1200℃的温度下进行。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述热处理或所述热处理中的至少一次包括热氧化。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤f)和所述步骤g)之间包括脱氧、热氧化并脱氧的步骤，所述脱氧、热氧化并脱氧的步骤允许减小所述至少一个游丝(5)的尺寸以获得预定刚度。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述热氧化用于在所述至少一个游丝(5)上形成热补偿层(8)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述蚀刻层(6a)由室温下易碎的材料制成。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其特征在于，所述蚀刻层(6a)是硅制的或硅基的。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述蚀刻层(6a)是玻璃制的或玻璃基的。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述蚀刻层(6a)是陶瓷制的或陶瓷基的。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述支撑件(6b)是硅制的或硅基的。

12.根据权利要求1至11中的任一项所述的方法，其特征在于，所述第一层(2)是氧化硅制的或氧化硅基的。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤b)通过光刻法实现。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤c)通过外延附生实现。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤d)通过深反应离子蚀刻实现。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤d)期间冷却所述支撑件(6b)。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个材料桥(7)基本上分布在所述游丝或每个游丝(5)的整个长度上。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，其特征在于，在投影到所述确定平面(P)时，所述材料桥或每个材料桥(7)完全位于所述至少一个游丝(5)的薄片的两个侧面(5a、5b)之间，并且仅占所述薄片的宽度(L)的一部分。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其特征在于，在投影到所述确定平面(P)时，所述材料桥或每个材料桥(7)相对于所述至少一个游丝(5)的薄片的两个侧面(5a、5b)基本居中。