CN115176206A

CN115176206A - 用于计时装置的硅计时装置部件

Info

Publication number: CN115176206A
Application number: CN202180016517.8A
Authority: CN
Inventors: 让-吕克·比卡耶; 奥利维尔·亨齐克; 弗雷德里克·科勒
Original assignee: Rolex SA
Current assignee: Rolex SA
Priority date: 2020-02-25
Filing date: 2021-02-18
Publication date: 2022-10-11
Also published as: WO2021170473A1; JP2023514445A; US20230136065A1; EP4111264A1

Abstract

本发明涉及一种用于制造能够对包括计时装置部件的功能组件进行热补偿的计时装置部件的方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：a.提供(E1)由半导体材料或金属材料制成的基板(1)；b.在基板上(1)进行多晶硅层或单晶硅层(5)的沉积(E2)；c.从基板(1)上释放(E4)计时装置部件(10)。

Description

用于计时装置的硅计时装置部件

技术领域

本发明涉及一种制造计时装置部件的方法，尤其是用于振荡器的游丝。本发明还涉及计时装置部件本身，并且涉及计时装置机芯和包括这种计时装置部件的计时装置本身。

背景技术

如今，计时装置部件的制造要求非常高，因为计时装置部件必须提供许多特性，包括优选是无磁性的，设置有可靠的机械特性：性能良好、经久耐用、独立于外部条件，尤其是温度，同时仍然尽可能简单地制造，以便可以在商业上使用。现有的解决方案通常依赖于损害部件，并且由此产生的组件在性能方面没有优化。此外，制造计时装置部件的过程通常实施起来非常复杂。

以举例的方式，将详细描述机械表振荡器的现有情况。类似的结论也适用于其他计时装置组件。

机械表的调节依赖于至少一个机械振荡器，该机械振荡器通常包括飞轮，称为摆轮，以及以螺旋形缠绕的弹簧，称为摆轮游丝或更简单地称为游丝。游丝可以一端固定在摆轮轴上，而另一端固定到计时装置的固定部分，例如称为摆轮夹板的桥板，摆轮轴在该固定部分上枢转。现有技术的机械表的机芯所配备的摆轮游丝为弹性金属条或硅条的形式，其横截面为矩形，大部分以阿基米德螺线缠绕在自身上。摆轮/游丝组合围绕其平衡位置(或死点)摆动。当摆轮离开这个位置时，它会启动游丝。这会产生一个返回扭矩，该返回扭矩作用在摆轮上，并有使其回到平衡位置的趋势。当摆轮获得一定的速度和动能时，摆轮移动超出其死点，直到游丝的反作用扭矩使其停止并迫使其向另一个方向转动。通过这种方式，游丝调节摆轮的摆动周期。

众所周知，当温度变化时，游丝和摆轮的热膨胀，以及游丝的杨氏模量的变化，会改变这个摆动组件的固有频率，从而破坏手表的精度。存在试图减少甚至消除振荡器频率随温度变化的情况的现有技术解决方案。为此，为了形成通常对温度变化不敏感的振荡器，各种现有技术解决方案试图通过选择游丝的热特性来使振荡器的热膨胀系数CT值为零，游丝的热特性将被连接的摆轮的热特性所抵消。

举例来说，文献EP1422436描述了一种依赖于含二氧化硅层的硅游丝解决方案，旨在热补偿振荡器。该解决方案需要厚的氧化层。其制造需要使游丝在非常高的温度下长时间地进行处理，这是一个缺点。作为变体，文献EP3159746提出使用重掺杂硅。然而，很难达到热补偿所需的高掺杂水平。

此外，机械表的精度还取决于摆轮和游丝形成的振荡器的固有频率随时间的稳定性。摆轮/游丝振荡器随时间变化的频率漂移现象的存在对于计时装置制造商来说是众所周知的。因此，例如，制造时配备有由铁磁合金制成的游丝的振荡器可能会逐渐早上其频率增加，以在一年后达到10秒/天量级的运行变化。为了减少这种漂移，通常会进行热处理，称为烘烤处理，这可以将最初几年过程中的运行漂移降低到低于1秒/天，考虑到佩戴手表造成的其他干扰，例如撞击，这是可以接受的。

当然，铁磁合金也容易受到外部磁场影响的不利影响，外部磁场影响会在运行漂移中表现出来。

最后，可以更普遍地注意到，现有的计时装置振荡器游丝，像任何其他计时装置部件一样，具有不能实现计时装置的操作优化的缺点。

发明内容

本发明的目的是为计时装置(timepiece)部件，特别是摆轮游丝(balancespring)提供一种新的解决方案，这使得可以对计时装置部件进行优化，同时实现适用于功能组件的热补偿的最佳性能，以及制造足够简单和稳健。

更具体地，本发明寻求用于大规模制造具有优化性能的计时装置部件的解决方案，也就是说，其固有的机械性能确保良好的操作性能，同时仍然尽可能稳定，并且对诸如磁场和温度变化等外部袭击保持不敏感或不太敏感。

为此，本发明依赖于制造计时装置部件的方法，其能够对包括计时装置部件的功能组件进行热补偿，其中该方法至少包括以下步骤：

a.提供由半导体材料或金属材料制成的基板；

b.在基板上进行多晶硅层或单晶硅层的沉积；

c.从基板释放计时装置部件。

本发明还涉及一种完全或部分由多晶硅制成的计时装置部件，其中，该计时装置部件包括由在其整个厚度上均匀地掺杂的多晶硅制成的一部分，或者，其中，该计时装置部件包括由含表面掺杂层的多晶硅制成的一部分。

本发明还涉及用于计时装置的振荡器和计时装置本身。

本发明由权利要求更精确地限定。

附图说明

本发明的这些主题、特征和优点将在以下非限制性描述与附图相关的特定实施方式中详细阐述，其中：

图1至图4示意性地示出了根据本发明的一种实施方式的用于制造计时装置部件的方法的步骤。

图5至图7示意性地示出了根据本发明实施方式的制造计时装置部件的方法的变体实施方式中可以用于附加掺杂步骤的技术。

图8和9示出了根据本发明实施方式的计时装置部件的各种可能的实施方式。

具体实施方式

本发明将在用于形成计时装置振荡器的摆轮/游丝组件的游丝的背景下进行描述。在本示例中，游丝是具有矩形横截面的弹性条的形式，以阿基米德螺旋缠绕在自身上。作为变体，游丝可以具有另一种基本几何形状，例如非矩形横截面，其在游丝的长度上是恒定的或其他方式。本发明当然可以转用于制造除游丝之外的计时装置部件，包括具有柔性引导的振荡器部件，或形成弹性虚拟枢轴的柔性几何结构的部件。

未显示的连接到游丝的摆轮可以以已知方式由铜/铍合金制成。作为变体，其他材料可以用于摆轮。根据该实施方式的本发明不涉及这种摆轮本身。然而，游丝被设计成能够对形成振荡器的功能组件进行热补偿，该振荡器由游丝与特定摆轮的组合构成。

现在将结合图1至图4，详细描述制造用于计时装置机芯的振荡器的游丝的方法的一种实施方式。

该方法尤其包括第一步骤E1，其包括使基板1可用，该基板1在本实施方式中是单晶硅晶片。在本实施方式中，简单的晶片就足够了；与大多数现有工艺相比，不需要使用绝缘体上硅(silicon on insulator，SOI)晶片，尽管这种绝缘体上硅晶片仍然与本发明兼容。也不必使用由掺杂材料制成的基板。作为变体，基板可以是金属的，或者由碳化硅制成，或者由碳化钨制成，或者由石英制成。本领域技术人员将知道将基板和生长工艺结合使得基板不被工艺温度改变。他们还将知道选择足够厚的基板以使其能够被处理。因此，本发明的第一个优点是允许使用比现有技术方案中使用的基板更简单且更便宜的晶片作为基板。

有利地，该第一步骤E1包括制备晶片的可选额外步骤。因此，该晶片可以被抛光和清洁。它也可能被氧化层2覆盖，如图1所示。例如，该晶片的表面可以被氧化以形成大约2μm厚的二氧化硅SiO₂的表面层。

作为本实施方式中使用的硅基板的替代方案，可以使用由半导体材料和/或金属材料制成的任何其他基板，可选地涂覆有二氧化硅SiO₂层。

该方法然后包括第二步骤E2，如图2所示，包括在基板1的表面(也就是说，可能在氧化层2的表面上，如果存在的话)沉积多晶硅层或单晶硅层5。

根据第一种方法，多晶硅或单晶硅可以在高温下用含有硅烷和氢气的气流在CVD反应器中沉积。生长是以外延方式完成的。在多晶硅生长的情况下，起始表面由已经是多晶的硅层形成，例如在低温下沉积在LPCVD反应器中的硅层(晶种层)。这种生长使得可以形成在垂直于基板1表面的方向上上升的层。

作为替代方案，可以在生长期间再次对硅层进行晶种，以保持对所沉积的层的特征的控制，以避免过大的晶粒尺寸。

根据第二种方法，可以通过任何其他方法沉积多晶硅。

最后，硅的沉积可以包括通过CVD(“化学气相沉积”)工艺或PVD(“物理气相沉积”)工艺来沉积硅。

硅的沉积持续直到达到大约120μm的高度，这将决定未来计时装置组件的厚度，如将详细说明的那样。应该注意，可以为硅层选择任何其他高度，但有利地是高度为至少80μm，或甚至至少100μm的高度。因此，在所有这些情况下，都涉及厚层。

在该步骤结束时，有利地实施可选的中间步骤，包括抛光由此形成的硅层5，以确保层的上表面令人满意的光洁度和该层的均匀的高度。这种抛光可以为被称为CMP(“化学机械抛光”)的类型。

因此，该方法实施第三步骤E3：蚀刻硅层5，其结果在图3中示出。由此获得由硅制成的蚀刻的层6。该蚀刻通过已知方法实现，例如通过深反应离子蚀刻(DRIE)。这种方法利用形成掩模的树脂，使得可以在树脂被最终去除之前，以与本实施方式中要制造的计时装置部件(游丝)相对应的预定方式划定要蚀刻的区域。这种方法是众所周知的，将不再详细描述。作为变体，可以使用激光器或通过现有技术中已知的任何其他方法来执行该蚀刻。该步骤的结果是排列在基片1上的由硅制成的蚀刻层6。

最后，该方法包括第四步骤E4，即从基板1释放由硅制成的蚀刻层6，如图4所示，这使得获得计时装置部件10成为可能。应当注意，基板1因此仅用于制造计时装置部件，并且不旨在成为计时装置部件10的一部分。后者因此具有对应于通过硅沉积步骤E2形成的任选处理的硅层5的高度的厚度。

该方法有利地使得可以在同一基板1上同时制造多个计时装置部件。在这种情况下，第四释放步骤E4包括释放所有这些计时装置部件。所述释放是根据现有技术中已知的技术之一进行的，例如通过由其底面蚀刻基板1以产生便于接近氧化层2的刻痕，以便使用氢氟酸或通过对SOI晶片上部未蚀刻的部分进行穿孔来溶解氧化层2。

值得注意的是，单晶硅表现出其弹性特性的各向异性，因为它的弹性模量取决于晶体取向。这种弹性模量的各向异性被测量为在其平均值附近的±15％的数量级。当制造由单晶硅制成的部件时，该技术特征的影响以约束的形式传递，因为这样的设计必须考虑到这种现象，以便获得具有不会受到这种各向异性不利影响或仅受到轻微不利影响的性能的计时装置部件。因此，变体实施方式中使用多晶硅，因此具有能够获得具有各向同性弹性特性的计时装置部件的优点，从而简化了本实施方式中游丝的计时装置部件的整体设计。

还应注意，通过本实施方式获得的计时装置部件10是由单一硅沉积步骤产生的，从而可以获得单片的、均质的、单块的、整体的计时装置部件。计时装置部件10不是通过连接多个单独的零件或由一系列单独生长层形成的。

此外，如此形成的计时装置部件旨在与一个或多个其他部件组合以实现特定的计时装置功能：这适用于，当该计时装置部件是旨在与摆轮组合以形成计时装置机芯的振荡器的游丝时，如上文所述。因此，游丝和摆轮这两个独立的计时装置部件旨在相互配合，以提供它们共有的振荡器功能。因此，更普遍地，给定的计时装置部件旨在成为更广泛的功能部件的一部分。

如上所述，在制造计时装置部件期间的另一个有利目标是寻求它对温度变化的最小依赖性，以便在所有温度下实现相同的操作。因此，本发明使得制造有助于该功能组件的热补偿的计时装置部件成为可能。

为此，特别是从文献EP3159746已知，游丝的重度掺杂硅使得可以提高获得的振荡器关于温度变化的性能。具体而言，需要注意的是，取决于用于摆轮的材料，例如钛或钛合金，仅游丝的此重掺杂硅就可以获得由游丝与摆轮合作产生的振荡器的热补偿。举例来说，获得硅的n型掺杂，例如，通过使用来自下列中的至少一种元素：锑Sb、砷As或磷P。掺杂应理解为是指上述解决方案之一，或等效解决方案。本发明具有的另一个优点为便于获得由掺杂硅制成的部件，如下将详细描述。

根据第一变体实施方式，硅以被称为“原位”的方式掺杂，即直接在硅沉积步骤E2期间，在此沉积的同时，特别是使用n型掺杂剂，例如磷。为此，可以在晶片表面上以气相沉积元素后，在高温下扩散掺杂元素，或者通过离子束直接注入离子。所述第一变体实施方式具有获得其中硅被掺杂在其整个厚度上(在所沉积的硅层5的整个高度上)的计时装置部件的优点。这种掺杂在整个硅体积中也是基本统一的、均质的。

根据第二变体实施方式，在沉积硅层5的步骤E2结束之后，实施掺杂步骤。在这种情况下，在上述实施方式的情况下，可以在蚀刻硅层5之前或之后实施掺杂步骤。优选在释放计时装置部件的步骤E4之前实施，但在变体中，也可以在释放步骤E4之后实施，从而在与基板分离的计时装置部件上实施。这种掺杂步骤是扩散或离子注入掺杂步骤，使得掺杂剂可以扩散到计时装置部件中，在计时装置部件的一部分厚度中形成掺杂层。此掺杂不会在所述掺杂层中产生均匀的掺杂，随着离进行扩散的表面的距离增加，掺杂变得更轻微。值得注意的是，由于多晶硅中晶界的存在，这种扩散在多晶硅中比在单晶硅中更快。

为此，图5至图7示出了用于掺杂由硅制成的部件11的方法，如图5所示，该方法可用于上述第二变体实施方式。如图6所示，该部件11首先涂有110nm POCl₃的层12。磷在多晶硅内第一次扩散，然后通过在氮气环境下至少一个持续60分钟的退火操作来进行(例如，第一次退火操作在900℃下持续60分钟，然后在1000℃下再进行一次持续60分钟的退火操作)。然后POCl₃层通过浸入缓冲氢氟酸中去除。获得的结果如图7所示。这种方法可以形成掺杂到高水平的层14，大于或等于10²¹at/cm³。将磷扩散到多晶硅中的第二次测定通过持续4小时的退火操作进行。因此，根据期望的结果，不同的实施变体是可能的。作为替代方案，可以通过以下方式对多晶硅进行掺杂：在多晶硅表面沉积200nm的PSG(磷硅玻璃)，然后是在氩气环境下于1050℃下持续一小时的热处理，然后通过RIE方法去除PSG层。该PSG层同样可以用作多晶硅蚀刻步骤的掩模。

当然，上述两种掺杂变体可以组合，因此在掺杂操作后期，在多晶硅层生长期间补充了原位进行的第一掺杂操作。

已经注意到，掺杂单晶硅会导致其热膨胀系数(CTE)的显著各向异性，在掺杂之前它基本上是各向同性的。这就是为什么在生产由掺杂的单晶硅制成的游丝时，因此经常建议在游丝的长度上改变游丝匝的厚度，以补偿所述热膨胀系数的变化。

由掺杂的多晶硅制成的计时装置部件具有保持各向同性的热膨胀系数(CTE)的优点，从而使计时装置部件的设计不太受限制。具体而言，用多晶硅实施本发明的优点是在计时装置部件的设计中具有很大的自由度，同时仍然能够实现对温度变化的显著不敏感性。此外，必须强调的是，已经证实掺杂多晶硅比掺杂单晶硅更容易。

应该注意的是，上述掺杂方法与硅的不同掺杂水平兼容，即使是高水平的掺杂也可以实现计时装置组件，如振荡器的热补偿。例如，可以使用重掺杂硅。重掺杂应理解为以离子密度大于或等于10¹⁸at/cm³，或甚至大于或等于10¹⁹at/cm³，或甚至大于或等于10²⁰at/cm³掺杂硅。

然而，仍然可以选择较低水平的掺杂以简化或加速掺杂，例如，同时仍然通过形成氧化硅SiO₂的表面层来补充工艺，如EP1422436中所述，它还有助于热补偿功能。作为变体，该氧化硅层可以不是外层，而是例如内层，例如夹在部件的结构中。因此，计时装置部件可以更普遍地包括由氧化硅制成的部分。进行掺杂的优点是，在所有情况下，可以减少在没有掺杂的方案中需要的氧化物层或部分。

因此，如上所述，该方法可以选择性地包括额外的氧化步骤。如所解释的，所使用的氧化层或氧化部分可以具有较小的厚度，从而具有使其可以在较低的氧化温度下生产的优点。此外，氧化层或氧化部分的这种小厚度还使其可以使用氧气作为前体来生产，而不是使用水蒸气来生产较厚的氧化层，因此可以在形成高质量的氧化层或氧化部分的同时，仍将其生长时间降至最低。

因此，从上述变体中可以明显看出，本发明可以有利地获得摆轮/游丝组合的零热膨胀系数(CTE)值，其振荡因此变得独立或几乎独立于温度。换言之，本发明的游丝可以适用于使构成功能组件的摆轮/游丝振荡器的热膨胀系数(CTE)为零。

总之，本发明的计时装置部件的制造方法比现有方法简化并且成本更低，如上所述，同时仍然提供了极大的灵活性，因为多种实施变体可以极大而简单地提高计时装置部件的性能，特别是可以解决热补偿问题。这是因为本发明提出制造能够热补偿包括多个部件(包括所述计时装置组件)的更大功能组件的计时装置部件的方法，这些多个组件一起执行特定的计时装置功能，例如上述振荡器的功能。

本发明的方法仍然与现有技术已知的其他处理相容。例如，如文献EP2277822中所述，抛光步骤可以使硅的表面平滑。所述文献描述了形成氧化物层然后将其溶解的执行步骤，从而可以去除硅的表面层，这存在具有瑕疵和/或形成裂缝的风险。因此，这样的步骤使得可以修圆磨光粗糙区域并加固部件。该解决方案最后包括平滑多晶硅的表面。

本发明还涉及通过上述方法获得的多晶硅计时装置部件。这样的部件有利地包括来源于单个多晶硅生长步骤的单体的、单片的、整体的部分。该部件还可以包括对多晶硅的掺杂，可能是重度掺杂。

本发明特别适用于形成上述的游丝，以及图8和图9中所示的其他计时装置部件，例如具有柔性引导的振荡器的部件、形成弹性虚拟枢轴的柔性几何结构的部件。

本发明还涉及一种计时装置振荡器、一种计时装置机芯和一种计时装置，例如钟表，例如腕表，其包括至少一个上述的计时装置部件。

Claims

1.一种制造计时装置部件的方法，其能够对包括计时装置部件的功能组件进行热补偿，其中，所述方法至少包括以下步骤：

a.提供由半导体材料或金属材料制成的基板(1)(E1)；

b.在基板上(1)进行多晶硅层或单晶硅层(5)的沉积(E2)；

c.从基板(1)释放计时装置部件(10)(E4)。

2.根据权利要求1所述的用于制造计时装置部件的方法，其中，所述方法包括在沉积所述硅层(5)的步骤(E2)之前在所述基板(1)的表面上形成氧化物层的额外步骤。

3.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造计时装置部件的方法，其中，所述方法包括在释放步骤(E4)之前蚀刻硅层(5)的步骤(E3)，特别是通过DRIE方法或通过激光器蚀刻硅层(5)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造计时装置部件的方法，其中，所述方法包括在蚀刻计时装置部件的步骤(E3)之前进行的抛光步骤。

5.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造计时装置部件的方法，其中，继续进行硅层沉积的步骤(E2)，直到高度达到大于或等于80μm，或甚至大于或等于100μm。

6.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造计时装置部件的方法，其中，进行硅层(5)沉积的步骤(E2)包括通过CVD沉积硅。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的用于制造计时装置部件的方法，其中，进行硅层(5)沉积的步骤(E2)包括通过PVD沉积硅。

8.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造计时装置部件的方法，其中，进行硅层沉积的步骤(E2)包括同时掺杂，使生长掺杂的硅层成为可能。

9.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造计时装置部件的方法，其中，所述方法包括在沉积步骤(E2)之后或在蚀刻步骤(E3)之后，通过掺杂剂的扩散或离子注入来掺杂硅的步骤。

10.根据权利要求8和9中任一项所述的用于制造计时装置部件的方法，其中，所述方法包括使用以下的掺杂剂掺杂硅的步骤：锑Sb、砷As或磷P。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的用于制造计时装置部件的方法，其中，所述方法包括重掺杂硅的全部或部分体积，所述重掺杂硅的离子密度为大于或等于10¹⁸at/cm³，或甚至大于或等于10¹⁹at/cm³，或甚至大于或等于10²⁰at/cm³。

12.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造计时装置部件的方法，其中，所述方法包括通过一系列氧化和氧化物溶解步骤使计时装置部件平滑或调整其尺寸的额外步骤。

13.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造计时装置部件的方法，其中，所述方法包括氧化计时装置部件的至少一个表面的额外步骤。

14.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造计时装置部件的方法，其中，所述提供由半导体材料制成的基板(1)的步骤(E1)包括提供由单晶硅制成的基板。

15.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造计时装置部件的方法，其中，使制造振荡器游丝或形成弹性虚拟枢轴的柔性几何结构的组件成为可能。

16.一种用于计时装置的计时装置部件，其全部或部分由多晶硅制成，其中，所述计时装置部件包括由在其整个厚度上均匀掺杂的多晶硅制成的一部分，或者，其中，所述计时装置部件包括由含表面掺杂层的多晶硅制成的一部分。

17.根据前述权利要求所述的用于计时装置的计时装置部件，其中，所述计时装置部件包括重掺杂多晶硅，所述重掺杂多晶硅的离子密度为大于或等于10¹⁸at/cm³，或甚至大于或等于10¹⁹at/cm³，或甚至大于或等于10²⁰at/cm³的，以便对要安置计时装置部件的功能组件进行热补偿。

18.根据权利要求16和17中任一项所述的用于计时装置的计时装置部件，其中，所述计时装置部件包括用于振荡器的游丝或形成弹性虚拟枢轴的柔性几何结构的组件的部件，或具有柔性引导的振荡器的部件。

19.根据权利要求16至18中任一项所述的用于计时装置的计时装置部件，其中，所述计时装置部件包括由二氧化硅SiO₂制成的层或部分。

20.一种用于计时装置的振荡器，尤其是摆轮/游丝类型的计时装置的振荡器，其中，所述振荡器包括如权利要求16至19中任一项所述的游丝和摆轮，并且其中所述振荡器是热补偿的。

21.一种用于计时装置的振荡器，尤其是具有柔性引导的计时装置的振荡器，其中，所述振荡器包括如权利要求16至19中任一项所述的具有柔性引导的计时装置部件，并且其中所述振荡器是热补偿的。

22.一种计时装置，特别是手表，其中，所述计时装置包括用于如权利要求16至19中任一项所述的计时装置的计时装置部件。