CN117452792A - 用于制造硅摆轮游丝的方法 - Google Patents

Abstract

用于制造硅摆轮游丝的方法。本发明涉及一种用于制造具有功能性外部外形的硅时计部件(1)的方法。

Description

用于制造硅摆轮游丝的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造硅时计部件、更具体地具有功能性外部外形(profilexterne fonctionnel)的硅时计部件的方法。

背景技术

硅时计部件通常通过硅基材料制成的晶圆的深反应离子蚀刻(也称为DRIE)制造。该晶圆可以是穿过其整个厚度被蚀刻的硅晶圆(例如，参见欧洲专利申请号1722281、2145857和3181938)或绝缘体上硅(SOI)基板，该基板包括通过中间氧化硅层结合的顶部硅层和底部硅层，顶部硅层是在其中进行蚀刻的层(例如，参见国际专利申请号2019/180177和2019/18057)。与单个硅晶圆相比，绝缘体上硅基板具有的优点在于具有：刚性支撑物(底部硅层，其比顶部层厚)，使得其操纵(manipulation)和保持更容易；以及阻挡层(中间氧化硅层)，以停止蚀刻。

无论使用何种类型的晶圆，在同一晶圆中同时蚀刻若干部件，并且在蚀刻期间留下的附接件(attache)或桥保持部件附接至晶圆以用于其他制造步骤。然后，通过断开或移除附接件，部件从晶圆释放。

将每个部件的周边(périphérie)连接至晶圆的此类附接件可能会有问题，特别是当部件的周边是功能性表面时，其功能不得被附接件残余物削弱，或者当部件的外表面必须具有特别完美的外观时，例如在指针的情况下。此外，在某些情况下，特别是对于具有微型齿的部件，功能性外表面没有足够大的自由空间以便足够强的附接件插入。

国际专利申请第2019/166922号提出了一种用于制造摆轮游丝的方法，其中，提供承载氧化硅层的硅基板，在氧化硅层中形成通孔，硅层在氧化硅层上外延生长，该硅层填充通孔以形成附接件或材料桥，在硅层中蚀刻摆轮游丝，去除氧化硅层，其中摆轮游丝经由所述附接件保持附接至硅基板，使摆轮游丝经受热处理，且最后使摆轮游丝从硅基板分离。

使用这种方法，通过延伸出摆轮游丝平面(而不是像通常情况那样在最后一圈的外表面和硅蚀刻层之间)的附接件，摆轮游丝在蚀刻后仍保持结合至基板。然而，该方法不允许使用商业上可获得的绝缘体上硅基板，并且其中将形成摆轮游丝的硅层的外延生长是复杂的操作。

国际专利申请第2019/166922号旨在克服该问题，并提出了一种用于由SOI晶圆制造硅时计部件的方法，其中该部件附接至部件轮廓内的锚固件。因此，该附接件不会侵占部件的功能性外轮廓。然而，该方法不允许部件的后表面被加工，特别是对于需要表面处理或装饰的部件。

发明内容

本发明通过提出一种解决方案克服上述缺点，该解决方案允许部件被保持附接至晶圆(部件包括不允许对其外轮廓设置附接件的那些部件)，同时释放后表面使得其能够被加工和/或装饰。

为此，本发明涉及一种用于制造硅时计部件的方法，该方法包括以下步骤：

a)获得SOI晶圆，该晶圆接连地包括所谓的硅“装置”层、氧化硅结合层和所谓的硅“操纵”层；

b)在晶圆的表面上生长氧化硅层；

c)通过DRIE蚀刻面上的氧化硅层(蚀刻掩模)，然后蚀刻“装置”层，以形成硅时计部件，以及内部锚固元件(élément d’ancrage interne)和在非关键内部轮廓区域中将所述锚固元件连接至时计部件的内壁的材料桥；

d)通过DRIE蚀刻后表面上的氧化硅层(蚀刻掩模)，然后蚀刻“操纵”层，以形成至少一个窄桥和与该至少一个窄桥成一体的至少一个后部锚固件(ancrage arrière)，该后部锚固件通过氧化硅“装置”和“操纵”结合层连接至“装置”层的锚固元件；

e)借助于湿法蚀刻释放时计部件，时计部件通过锚固元件经由材料桥保持在晶圆上，氧化物结合层仅在“装置”层和“操纵”层两者都未被湿法蚀刻而蚀刻掉的地方留存，并且整体搁置在至少一个后部锚固件上，该后部锚固件连接到至少一个窄桥，该窄桥本身连接至“操纵”层。

根据本发明的其他有利替代实施例：

-时计部件的内壁是被布置成容纳轴的孔的壁，或者是部件内部的开口；

-在步骤e)结束时，氧化硅结合层部分地存在于锚固元件和后部锚固件之间；

-窄桥和材料桥不重叠；

-在步骤d)中，在“操纵”层的DRIE期间还形成一体式荫罩(shadow mask)，以便在后表面上产生开口的精心且有意的图案，所述开口允许通过CVD或PVD进行精细的装饰；

-该方法包括如下的步骤f)：对时计部件的前表面和/或后表面进行晶圆精加工，该精加工步骤包括例如沉积层、形成图案和/

或进行装饰；

-时计部件是轮、凸轮、指针、杠杆、蜗杆()、指示物或贴花。

本发明还涉及通过实施根据本发明的用于制造时计部件的方法获得的时计部件。

因此，可以理解的是，该方法允许通达时计部件的附接至晶圆的后表面，以便能够对其进行加工和/或装饰。

附图说明

通过阅读以下以非限制性示例方式给出的详细说明，并参考附图，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：

-图1a和图1b分别示出了与“装置”层集成的硅元件的透视图和“操纵”层的透视图；

-图2a和图2b分别示出了在SOI晶圆中形成的硅部件的顶部和底部透视图。

具体实施方式

本发明涉及一种用于制造硅时计部件、更具体地具有功能性外部外形的硅时计部件的方法。

功能性外部外形被理解为意指其外周边形成功能性表面的时计部件，该功能性表面被布置成与其他零件和/或时计部件配合。

使用硅基材料以制造时计部件所提供的优点是，使用现有蚀刻方法是精确的，并且具有良好的机械和化学性能，特别是对磁场具有少的敏感度或不敏感。

优选地，所使用的硅基材料可为单晶硅，无论其晶体取向如何。不言而喻的是，可以考虑其他硅基化合物或其他材料，例如玻璃、陶瓷、金属陶瓷、金属或金属合金。为了简单起见，以下解释将针对硅基材料给出。

因此，本发明涉及一种用于制造硅时计部件1的方法。使用根据本发明的方法可以制造其它的时计部件，例如具齿的轮、擒纵轮、杠杆或蜗杆等。这种方法也可被考虑用于指针、指示物或贴花的制造，它们要求外部表面精加工尽可能完美。

根据本发明，如图2所示，该方法包括第一步骤a)，该第一步骤包括获得SOI晶圆10，即包括两个硅层11和12的晶圆，硅层11和12通过氧化硅层13结合至彼此。这三层中的每一层具有一个或多个待充当的特定角色。

形成于单晶硅晶圆(其主取向可以变化)中的称为“装置”层的顶部硅层11具有的厚度将确定待制造的部件的最终厚度，在制表业中，其通常在100至200μm之间。

称为“操纵”层的底部硅层12主要用作机械支撑物，使得该方法能够在足够刚性的组件上实施(“装置”的减小的厚度无法保证这一点)。它也是由单晶硅晶圆形成的，通常与“装置”层具有相似的取向。

氧化层13被用于使两个硅层11和12紧密结合。此外，它还将在后续操作中用作阻挡层。

后续步骤b)包括通过将一个或多个晶圆暴露于高温氧化气氛中而在一个或多个晶圆10的表面上生长氧化硅层。该层根据要被形成图案的“装置”的厚度而变化。它通常在1至4μm之间。不言而喻的是，可以使用其他技术；为形成蚀刻掩模，如在下一步骤c)中，光刻胶层可能是足够的，并且如果使用氧化物的话，该氧化物可以被沉积而不生长。

所述方法的步骤c)将允许例如在正性光刻胶中限定随后旨在在硅晶圆10中产生的图案。该步骤包括以下操作：

-例如通过旋涂将光刻胶沉积在非常薄的层中，该层通常具有包括在1至2μm之间的厚度，

-一旦干燥，使用光源、通过光刻掩模(覆盖有铬层的透明板，其本身代表所需的图案)曝光具有光刻特性的该光刻胶；

-在正性光刻胶的特定情况下，使用溶剂去除光刻胶的曝光区域，从而显露出氧化层。在这种情况下，仍覆盖有光刻胶的区域限定了在随后的硅深反应离子蚀刻工艺(也称为“D.R.I.E.”)中不被蚀刻的区域。

在步骤c)中，曝光的区域或相反地光刻胶覆盖的区域因此被利用。第一蚀刻工艺允许在先前步骤中在光刻胶中限定的图案被转移到预先生长的氧化硅上。仍考虑到制造工艺的可重复性，氧化硅通过干法等离子体蚀刻而被形成图案，干法等离子体蚀刻是定向的并且再现了光刻胶的侧壁的质量，该光刻胶被用作用于该操作的掩模。

一旦光刻胶的开放区域中的氧化硅已被蚀刻，顶部层11的硅表面即被暴露并为DRIE做好准备。根据光刻胶在DRIE期间是否被用作附加掩模，光刻胶可以被保留或者可以不被保留。

被暴露的且不由氧化硅保护的硅在垂直于晶圆表面的方向上被蚀刻(各向异性DRIE)。首先在光刻胶中且随后在氧化硅中形成的图案被“投射”到“装置”层11的厚度中。

当蚀刻发展到使两个硅层11和12结合的氧化硅层13中时，蚀刻停止。更具体地，仿效在工艺中充当掩模且本身对蚀刻工艺有抵抗性的氧化硅，具有相同性质的掩蔽的氧化层13也对蚀刻工艺有抵抗性。

因此，硅“装置”层11在其整个厚度上通过限定的图案而被形成图案，该限定的图案代表待被制造的部件，其现在通过该DRIE而显露，即所示示例中的凸轮1。

这些部件与“操纵”层12保持一体，这些部件通过掩蔽的氧化硅层13结合至“操纵”层12。在该步骤c)中，顶部硅层2的一部分被蚀刻以形成时计部件内部的锚固元件，以及在部件内壁的非关键区域中将该锚固元件7连接至时计部件1的内壁的材料桥8。

在所示示例中，时计部件的内壁是孔的壁，该孔被布置成容纳轴。孔被成形为使得附接件残余物不会干扰与硅板配合的心轴。内壁可以是部件内的另一开口，例如如果该部件是骨架化的。

不言而喻的是，该方法不限于步骤c)中通过DRIE的蚀刻。作为示例，步骤c)中的蚀刻正好也可以通过在同一个硅基材料中的化学蚀刻来实现。

在步骤c)中，可在同一晶圆上形成多个凸轮。

在步骤d)中，在晶圆10的背部(即“操纵”层12侧上)上进行类似于步骤c)中进行的第一光刻操作的第二光刻操作。为此，晶圆10被翻转，光刻胶沉积在其上且然后通过掩模曝光。在该第二光刻操作期间，穿过时计部件的后部形成至少一个窄桥9，以及与该至少一个窄桥9成一体的后部锚固件9'，该后部锚固件9'通过使“装置”层和“操纵”层结合的氧化硅层连接至“装置”层的锚固元件7。

根据本发明，在步骤d)中的“操纵”层的DRIE期间还形成一体式荫罩，以便在后表面上产生开口的精心且有意的图案，所述开口因此允许在后续步骤期间通过CVD或PVD制作出精细的装饰。

然后用溶剂去除曝光的光刻胶区域，从而显露出之前形成的用作用于深干法蚀刻(如DRIE)的掩模的氧化层，其允许显露出至少一个窄桥9、后部锚固件9'和荫罩。

在步骤e)中，为了完全释放各部件，通过使用氢氟酸基溶液的湿法蚀刻工艺或通过气相氢氟酸来蚀刻各种氧化硅层。有利地，所形成的凸轮1经由材料桥8保持至锚固元件，以整体搁置在后部锚固件上，该后部锚固件连接到至少一个窄桥，该窄桥本身连接至形成在“操纵”层中的框架。

根据本方法的可选步骤，步骤f)包括使仍由附接件保持的释放的工件进行各种表面精加工操作。因此，当部件仍保持至晶圆时，可以加工时计部件的前表面、后表面和/或侧表面。精加工步骤可以包括在时计部件的不同面上沉积层，或使时计部件的不同面形成图案或对时计部件的不同面进行装饰。这些操作在本质上是功能性的(加强、摩擦学的等)或在本质上是审美的(着色、形成图案)，通过PVD或CVD进行。

在此步骤中，在步骤d)中经由荫罩形成的图案也通过CVD或PVD进行装饰。

由此获得如图1a和图1b中所示的凸轮1，并且其有利地根据本发明包括硅基芯和氧化硅基涂层。

有利地根据本发明，可在没有进一步复杂性的情况下制造包括功能性外部外形的时计部件1。

最后，该方法还可包括如下的步骤h)：通过将部件1从其锚固元件8分离而将时计部件1从晶圆10分离。

不言而喻的是，本发明不限于所示示例(即凸轮的产生)，而是可以对其进行对本领域技术人员显而易见的各种替代和修改。

Claims (8)

1.一种用于制造硅时计部件(10)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

a)获得SOI晶圆(10)，所述晶圆接连地包括所谓的硅“装置”层(11)、氧化硅结合层(13)和所谓的硅“操纵”层(12)；

b)在所述晶圆(10)的表面上生长氧化硅层；

c)通过DRIE蚀刻前表面上的氧化硅层，然后蚀刻所述“装置”层(11)，以形成所述硅时计部件(1)，以及内部锚固元件(7)和在内壁的非关键区域中将所述锚固元件连接至所述时计部件的内壁的材料桥(8)；

d)通过DRIE蚀刻后表面上的氧化硅层，然后蚀刻所述“操纵”层(12)，以形成至少一个窄桥(9)和与所述至少一个窄桥(9)成一体的至少一个后部锚固件(9')，所述后部锚固件(9')通过使所述“装置”层和所述“操纵”层结合的所述氧化硅结合层(13)连接至所述“装置”层的所述锚固元件(7)；

e)通过湿法蚀刻释放所述时计部件(1)，所述时计部件(1)通过所述锚固元件(7)经由所述材料桥(8)保持在所述晶圆(10)上，所述氧化物结合层仅在所述“装置”层和所述“操纵”层两者都未被湿法蚀刻而蚀刻掉的地方留存，并且整体搁置在所述至少一个后部锚固件(9')上，所述后部锚固件连接至所述至少一个窄桥(9)，所述窄桥(9)本身连接至所述“操纵”层，从而使得所述部件的所有面是可通达的。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述时计部件(1)的内壁是被布置成容纳轴的孔的壁，或者是所述部件内部的开口的壁。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，在步骤e)结束时，所述氧化硅结合层(13)部分地存在于所述锚固元件(7)和所述后部锚固件(9')之间。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述窄桥(9)和所述材料桥(8)不重叠。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤d)中，在所述“操纵”层的DRIE期间还形成一体式荫罩，以便在所述后表面上产生开口的精心且有意的图案，所述开口允许通过沉积进行精细的装饰。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述方法包括如下的步骤f)：对所述时计部件(1)的前表面、后表面和/或侧表面进行晶圆精加工，精加工步骤包括例如沉积层、形成图案和/或进行装饰。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述时计部件是轮、凸轮、指针、杠杆、蜗杆、指示物或贴花。

8.通过实施根据权利要求1至7中任一项所述的用于制造时计部件(1)的方法而获得的时计部件(1)。