CN111919176A - 用于制造精确刚度的钟表热补偿游丝的方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的制造钟表游丝的方法包括以下连续步骤：a)在晶圆中形成游丝，b)在游丝上形成热补偿层，c)识别具有预定范围内的刚度的游丝，d)可选地，将步骤c)中识别的游丝从晶圆上分离，e)修改其他游丝，使得其他游丝中的至少一部分的刚度在预定范围内，f)从晶圆上分离这些其他游丝，并且如果步骤c)中识别的游丝在步骤d)中没有被分离，则从晶圆上分离该步骤c)中识别的游丝。这种方法使得可以减少游丝之间的制造分散。

Description

用于制造精确刚度的钟表热补偿游丝的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造钟表热补偿游丝的方法，更确切地，涉及用于制造旨在与摆轮一起使用以与摆轮形成钟表机械振荡器的钟表热补偿游丝的方法。

背景技术

EP 1422436公开了一种钟表热补偿游丝，其包括芯和覆盖该芯的层，该层由弹性模量的热系数与芯的材料的弹性模量的热系数符号相反的材料形成。因此，层补偿芯的弹性模量根据温度的变化，并且该层的厚度可被选择为同样足以补偿摆轮的惯性矩的变化，以使振荡器的频率对温度不敏感。在典型的示例中，芯是单晶硅，而热补偿层是氧化硅。

专利申请EP 3181938和EP 3181939描述了允许制造预定刚度的钟表游丝的方法。在根据EP 3181938的方法中，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待去除的材料的厚度，以及d)从步骤a)中形成的游丝中去除计算出的材料厚度。在根据EP 3181939的方法中，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)计算获得预定刚度的游丝所需的材料缺失厚度，以及d)修正步骤a)中形成的游丝以补偿材料缺失厚度。在这两种方法中，可以重复步骤b)、c)和d)的顺序，以改进游丝的尺寸质量。在步骤d)之后，特别根据上述专利EP 1422436的教导实施热补偿步骤。

根据EP 3181938和EP 3181939的方法使得可以减少从同一晶圆或不同晶圆生产的游丝之间的制造分散(dispersion)。尽管如此，仍然发现来自同一晶圆的游丝在刚度上存在差异。实际上，每片晶圆上都会产生几百个游丝。然后，根据游丝的刚度将获得的游丝分类。因此，可以提供几十个等级，例如六十个等级，每个等级包含一定数量的游丝。然后将每个等级的游丝与相应等级的摆轮匹配—摆轮本身实际上根据其惯性矩来归类—以便每个摆轮-游丝振荡器基本上具有预定的频率。然后，通常使用摆轮所具有的惯性块对频率进行精细调节。特别由于游丝之间的刚度分散而造成的等级数量繁多使得有必要管理大量库存的组件。

发明内容

本发明旨在提出一种用于制造钟表热补偿游丝的方法，该方法使得能够减少由同一晶圆制造的游丝之间的刚度分散。

为此，提供一种用于制造钟表游丝的方法，该方法包括以下连续步骤：

a)在晶圆中形成游丝，

b)在游丝上形成热补偿层，

c)识别具有预定范围内的刚度的游丝，

d)可选地，将步骤c)中标识的游丝从晶圆上分离，

e)修改其他游丝，使得其他游丝的至少一部分的刚度在预定范围内，以及

f)从晶圆上分离这些其他游丝，并且如果步骤c)中识别的游丝在步骤d)中没有被分离，则从晶圆上分离该步骤c)中识别的游丝。

本发明使得可以对成品游丝进行精细校正，以减少生产批量内的分散。此外，根据本发明的方法很适合于工业制造，其中重要的是尽可能长时间地将游丝保持在晶圆上。

附图说明

阅读以下参照附图给出的详细描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，其中：

图1是根据本发明的方法的示图，

图2是根据本发明的方法的第一步骤中晶圆和晶圆中形成的游丝的透视图，

图3是根据本发明的方法的另一步骤中获得的具有热补偿层的游丝的螺旋圈的横截面图，

图4是示出在图3的步骤中获得的游丝在刚度方面的分散。

具体实施方式

参照图1，根据本发明的制造钟表游丝的方法包括连续步骤11至23。该游丝特别旨在用作摆轮的弹性回位元件，以便与摆轮形成机械钟表振荡器，特别是用于腕表。

在步骤11中，获得晶圆，并且例如通过深反应离子蚀刻DRIE或通过激光蚀刻而在晶圆中蚀刻游丝。在优选实施例中，晶圆由硅基材料制成，例如由硅本身制成，或者由在两个硅层之间包含氧化硅层的绝缘体上硅(SOI)类型的多层材料制成。在绝缘体上硅的情况下，在步骤11结束时获得的游丝可以是多层游丝：硅-氧化硅-硅。还可以通过如下方式制造多层游丝：在晶圆的第一部分中蚀刻每个游丝的第一部分以及在晶圆的第二部分中蚀刻每个游丝的第二部分，其中晶圆的第二部分与晶圆的第一部分离，然后将晶圆的两个部分连接。制造多层游丝的更精确细节可参见文献WO 2016/128694。还可以从SOI晶圆开始，仅在SOI晶圆的上层硅中蚀刻游丝，然后去除下层硅和中间层的氧化硅，继续使用该方法的晶圆随后由该上层硅形成。

一般来说，在本发明中，硅可以是单晶质、多晶质或非晶质的。它也可能被掺杂。然而，除了硅基材料之外，还可以使用诸如玻璃、陶瓷、金属或金属合金的材料。

在步骤11结束时，如图2所示，蚀刻的游丝通过材料桥附接到晶圆，为了简化起见，在晶圆33中已经图示了单个游丝31，该游丝通过材料桥35附接到晶圆33。

在步骤13中，应用专利申请EP 3181938或专利申请EP 3181939中描述的方法，这两个专利申请通过引用并入本申请。因此，确定在晶圆中蚀刻的游丝的代表性刚度(步骤13a)，该确定的结果用于计算在游丝上待添加、去除或修改的材料厚度，以获得预定刚度(步骤13b)，并且所计算的材料厚度用于修改游丝，以获得预定刚度(步骤13c)，可重复步骤13a、13b和13c一次或多次。

在步骤13a中确定的刚度可以是在晶圆中蚀刻的所有游丝的平均刚度、这些游丝的样本的平均刚度或这些游丝中的一个的刚度。对于给定的游丝，无论其是否仍附接在晶圆上，可通过将该游丝与具有预定惯性矩的摆轮联接、通过测量摆轮-游丝组件的频率以及通过从测量中通过计算推导出游丝的刚度来确定刚度。特别地，可以对仍然附接在晶圆上的所有游丝进行刚度确定，然后计算所有游丝的平均值；或者，可以对仍然附接在晶圆上的游丝样品进行刚度确定，然后计算该游丝样品的平均值；或者，可以对预先从晶圆上分离的游丝样品进行刚度确定，然后计算该游丝样品的平均值，为了本方法的剩余部分而牺牲这些分离的游丝。

然后，优选地同时在附接到晶圆的所有游丝上执行步骤13c。如果在步骤11中，用大于获得具有预定刚度的游丝所需的尺寸的尺寸来蚀刻游丝，则步骤13c可以包括以均匀或非均匀的方式从游丝的全部或部分外表面去除材料厚度。如果在步骤11中，用小于获得具有预定刚度的游丝所需的尺寸的尺寸来蚀刻游丝，则步骤13c可以包括以均匀或非均匀的方式在游丝的全部或部分外表面上添加材料厚度。

步骤13c中的材料去除可通过诸如湿法蚀刻、气相蚀刻、等离子蚀刻或激光蚀刻的蚀刻来实现。在硅基游丝的情况下，也可以通过对游丝进行氧化以便将待去除的硅基材料的厚度转化为氧化硅(SiO2)，然后再通过去除氧化硅来实现材料去除。为了使游丝氧化，可将游丝置于熔炉中，并在氧化气氛中使其经受800至1200℃之间的温度。

步骤13c中的材料添加可通过任何添加方法进行，例如热氧化、电镀生长、物理气相沉积、化学气相沉积或原子膜沉积。沉积在游丝上的材料可以与沉积在晶圆上材料相同，或者可以不同。

作为添加或去除材料的替代方案，在步骤13c中，可以修改在步骤13b中计算的材料厚度，而不必修改游丝的尺寸。特别地，例如，可以通过间隙原子或替代原子的结晶、掺杂或扩散来修改游丝的全部或部分外表面的预定深度上的结构或成分。

在根据本发明的方法的步骤15中，在游丝上形成热补偿层，优选在游丝的整个外表面上，如图3所示，其中由附图标记37指代热补偿层。该热补偿层由如下材料制成：该材料具有的弹性模量热系数与形成在步骤13结束时所获得的游丝的材料的弹性模量热系数符号相反。如果游丝为硅基材料，则热补偿层通常为氧化硅，可通过高温氧化，将游丝置于熔炉中以使游丝处于800至1200℃之间的温度和氧化气氛，获得该热补偿层。热补偿层完全或部分补偿游丝的弹性模量根据温度的变化。热补偿层还可以过度补偿游丝弹性模量的变化，以同样补偿与该游丝一起使用的摆轮的惯性矩根据温度的变化，从而使游丝-摆轮振荡器对温度不敏感。

在步骤17中，当每个游丝仍然附接到晶圆时，确定游丝中的每一个的刚度。为了做到这一点，对于每个游丝，游丝与具有预定惯性矩的摆轮联接，测量摆轮-游丝组件的频率，并通过计算从测量中推导游丝的刚度。作为变型，可以仅确定游丝中的一部分的刚度，并由此推断出其他游丝的刚度。例如，可以确定代表晶圆各个区域的游丝刚度，同一区域的游丝具有基本相同的刚度。

在根据本发明的方法的该阶段处，在图4所示的曲线39型的分散曲线上，游丝的刚度分布在N个等级上，例如六十个等级。根据本发明的方法的剩余部分旨在减少等级的数量。为此，仅游丝中的一部分被认为是合规的，例如N/2个最先等级或N/2个最后等级，而其他游丝则被修改以使其合规。以这样的方式，等级的数量可以减半。

因此，在步骤19中，具有例如对应于N/2个最先等级或N/2个最后等级的预定范围内的刚度的游丝被认为是合规的并且从晶圆分离。其他游丝被留在晶圆上。

在步骤21中，对留在晶圆上的游丝进行修改，使其刚度在预定范围内。依据预定范围的选择，优选地同时增加或减小晶圆上存在的所有游丝的热补偿层的厚度，以便分别增加或减小该游丝的刚度。可以预先通过计算来确定待添加到热补偿层或待从热补偿层去除的厚度值。申请人特别注意到，对于由硅芯和具有厚度等于硅芯厚度(宽度)10％的氧化硅外部热补偿层形成的游丝，仅修改热补偿层厚度的5％，就可以将等级数量N减半，同时遵守COSC(瑞士官方天文台监测机构(

Officiel Suisse des Chronometres))关于运行随温度变化的要求，即最大值为±0.6秒/天/度。等级数量的大幅减少有助于管理组件库存并降低成本。

图4显示，如果认为合规的预定刚度范围对应于N/2个最先等级，则步骤21中对游丝的修改导致仍然在晶圆上的游丝的分散曲线向左偏移(曲线41)，优选地，偏移距离等于预定范围的长度，以使得这些游丝中的每一个可以属于N/2个最先等级中的一个。相反，如果认为合规的预定刚度范围对应于N/2个最后等级，则在步骤21中对游丝的修改导致剩余在晶圆上的游丝的分散曲线向右偏移(曲线43)，优选地，偏移距离等于预定范围的长度，以使得这些游丝中的每一个可以属于N/2个最后等级中的一个。图4所示的两种配置(曲线41和曲线43)是两种最佳配置。当然，对于从晶圆上分离的游丝和仍然附接的游丝来说，中间配置是可能的，这导致等级总数量大于N/2但小于N。

为了在步骤21中增加热补偿层的厚度，对于包含由氧化硅热补偿层覆盖的硅基材料芯的游丝来说，如以上涉及步骤13c和步骤15所描述的，可以对游丝进行热氧化。

为了在步骤21中减小热补偿层的厚度，可以实施诸如气相蚀刻、等离子蚀刻、湿法蚀刻(例如使用氢氟酸)或激光蚀刻等蚀刻技术。

作为向热补偿层添加材料或从热补偿层去除材料的替代方案，在步骤21中，可以在预定深度上修改热补偿层的结构或成分，而因此不必修改热补偿层的厚度。这种结构或成分的修改可以包括例如通过注入、扩散或其他工艺来掺杂热补偿层。

在变型中，不在步骤21中增加热补偿层的厚度，而是可以在该层上沉积与热补偿层的材料不同的材料。特别地，该沉积可以是物理气相沉积、化学气相沉积或原子薄膜沉积。与热补偿层的材料不同材料可以是金属、氧化物、氮化物或其他材料。

在最后的步骤23中，晶圆中留下的游丝被分离。然后，所有的游丝都会根据它们的等级进行分类，以便能够与摆轮相匹配。

在本发明的一个变型中，在步骤19中，被标识为合规的游丝被留在晶圆上，但使用例如掩膜而免受步骤21中实施的处理。因此，在步骤21中，只有被认为不合规的游丝被修正，并且在最后的步骤23中，所有的游丝从晶圆上分离。

Claims (12)

1.一种制造钟表游丝的方法，包括以下连续步骤：

a)在晶圆中形成游丝，

b)在所述游丝上形成热补偿层，

c)识别具有预定范围内的刚度的游丝，

d)可选地，将步骤c)中识别的游丝从所述晶圆上分离，

e)修改其他游丝，使得所述其他游丝中的至少一部分的刚度在所述预定范围内，

f)从所述晶圆上分离所述其他游丝，并且如果在所述步骤c)中识别的游丝在步骤d)中没有被分离，则从所述晶圆上分离所述步骤c)中识别的游丝。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤e)在所述其他游丝上同时进行。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤e)包括修改所述热补偿层。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤e)包括修改所述热补偿层的厚度。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，步骤e)包括增加所述热补偿层的厚度。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，步骤e)包括减小所述热补偿层的厚度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤a)和步骤b)之间包括以下步骤：

(i)确定在所述晶圆中形成的游丝的代表性刚度，

(ii)根据步骤(i)的结果，修改所述游丝以获得预定刚度。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤a)和步骤b)之间，重复一次或多次步骤(i)和步骤(ii)的顺序。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，步骤a)包括一个或多个蚀刻步骤。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤a)中形成的游丝为硅质或包含至少一个硅层。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述热补偿层为氧化硅质。

12.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤a)中形成的游丝为玻璃质、陶瓷质、金属质或金属合金质。

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