DE10127733B4

DE10127733B4 - Schrauben- oder Spiralfederelemente aus kristallinem, insbesondere einkristallinem Silicium

Info

Publication number: DE10127733B4
Application number: DE10127733A
Authority: DE
Inventors: Claus Dr. Holm
Original assignee: SILICIUM ENERGIESYSTEME E K DR; Silicium Energiesysteme Ek Dr Nikolaus Holm
Current assignee: SILICIUM ENERGIESYSTEME E K DR; Silicium Energiesysteme Ek Dr Nikolaus Holm
Priority date: 2001-06-07
Filing date: 2001-06-07
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2021-06-08
Also published as: DE10127733A1

Abstract

Federelemente in Form von Schrauben- oder Spiralfedern, welche aus kristallinem, insbesondere einkristallinem Silicium bestehen und einen Innendurchmesser von 3 mm bis 35 cm aufweisen und durch eine mechanische abtragende Bearbeitung die gewünschte Schrauben- oder Spiralform erhalten haben.

Description

Die Erfindung betrifft Federelemente aus kristallinem, insbesondere einkristallinem Silicium.
Federelemente in Form von Blatt-, Schrauben- oder Spiralfedern werden üblicherweise aus Metallen wie z.B. Stahl oder speziellen Legierungen gefertigt.

Als Blattfedern gestaltete Federelemente werden in der Mikromechanik auch aus einkristallinem Silicium hergestellt. Beispielsweise sind in der US 4 021 766 Blattfederstrukturen beschrieben, die mittels photolithographischer Ätzverfahren in üblicherweise als Wafer bezeichneten Scheiben aus einkristallinem Silicium erzeugt werden. Die Maße derartiger Blattfederelemente liegen gewöhnlich im Bereich von wenigen Mikrometern; sie kommen daher nur für sehr spezielle Anwendungsgebiete in Frage, zumal sie schon wegen ihrer geringen Größe in den Wafer integriert bleiben müssen.

Weiterhin sind aus der JP-A-01 006 537 Schrauben- oder Spiralfederelemente aus keramischem Material bekannt, die nach einem Verfahren erhalten werden, bei dem aus dem relativ weichen Ausgangsmaterial zunächst die Federstruktur mit Stabilisierungsstegen geformt und anschließend durch thermische Behandlung ausgehärtet wird. Abschließend wer den die Stabilisierungsstege durch Schleifen entfernt. Die erhaltenen schrauben- oder spiralförmigen Federelemente sind gegenüber thermischen Belastungen beständig und besitzen eine hohe Formstabilität. Sie eignen sich jedoch nicht für Anwendungen, bei denen es auf hohe Reinheit und Kontaminationsfreiheit ankommt. Darüber hinaus ist die Präzision der Federn begrenzt. Aus dem Lehrbuch „Konstruktionselemente der Feinmechanik", Herausgeber W.Krause, München Wien 1989, sind mikromechanische Schraubenfedern aus einkristallinem Silicium bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, Schrauben- und Spiralfedern anzugeben, die sich für den Einsatz bei hohen Temperaturen, in korrosiver Umgebung oder unter Reinraumbedingungen eignen.

Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass sich kristallines, insbesondere einkristallines Silicium trotz seiner Härte und Sprödigkeit als Grundmaterial für Schrauben- oder Spiralfedern eignet. Einkristallines Silicium ist wegen seiner Kristallperfektion besonders gut geeignet, da es allen anderen Werkstoffen in seinen physikalischen Eigenschaften überlegen ist.

Gelöst wird die Aufgabe daher durch Federelemente mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Die Herstellung dieser Federelemente erfolgt nach einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen eines Ausgangskörpers aus kristallinem, insbesondere einkristallinem Silicium;
b) mechanische abtragende Bearbeitung des Ausgangskörpers solange, bis das überflüssige Silicium entfernt ist und das verbleibende Silicium die gewünschte Schrauben- oder Spiralfederform besitzt.

Die Dimensionen der Federelemente aus kristallinem, insbesondere einkristallinem Silicium lassen sich innerhalb weiter Grenzen variieren und richten sich in der Regel nach dem jeweils vorgesehenen Einsatzbereich und den mechanischen Anforderungen. So sind z.B.

Innendurchmesser von ca. 3 mm bis ca. 35 cm, Außendurchmesser von ca. 5 mm bis 40 cm und Windungsabstände von etwa 0.5 mm bis 10 cm möglich. Die Dicke des Federmaterials Windungen wird zweckmäßig zwischen 0.3 mm und 10 cm eingestellt. Die Anzahl der Windungen liegt üblicherweise bei 2 bis 50. Diese Werte sind jedoch nicht im Sinne einer Beschränkung zu verstehen, sondern dienen lediglich der näheren Erläuterung des Erfindungsgedankens.

In den meisten Fällen hat es sich bewährt, das jeweilige Federelement so aus dem Ausgangskörper herauszuarbeiten, dass das schrauben- oder spiralförmig gewundene verbleibende Silicium, welches letztendlich den Federkörper bildet einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweist. Ein solcher Querschnitt ist jedoch nicht zwingend vorgeschrieben; manchmal kann auch ein runder, ovaler, trapezoidaler oder polygonaler Querschnitt zweckmäßig sein. Bewährt hat sich vielfach, die Kanten zu verrunden.

Die Ausgangskörper werden, falls einkristallines Silicium verwendet wird, zumeist aus den für die Waferherstellung gebräuchlichen Rundstäben aus einkristallinem Silicium gefertigt, welche üblicherweise in (100)- oder (111)-Orientierung geliefert werden. Beide Orientierungen haben sich als gleichermaßen geeignet erwiesen; es kommen jedoch grundsätzlich auch andere Orientierungen in Frage. Die Rundstäbe werden zweckmäßig zunächst in Stücke der gewünschten Länge zerteilt, beispielsweise durch Zersägen mittels Innenlochsäge, Außentrennsäge oder Drahtsäge. Anstelle solcher massiver tiegel- oder zonengezogener Stäbe kann jedoch auch auf gegossenes oder epitaktisch gewachsenes einkristallines Silicium oder auf Silicium in Form von Hohlstäben zurückgegriffen werden.

Die Verwendung von einkristallinem Material ist jedoch nicht zwingend vorgeschrieben. Als Ausgangsmaterial eignet sich allgemein kristallines Silicium, beispielsweise nahezu ein kristallines Material, welches aufgrund von Kristallfehlern wie Versetzungen, Verwachsunger oder Fehlorientierungen kleiner Bereiche nicht mehr völlig einkristallin ist. Geeignet ist aber auch polykristallines Silicium, welches ein kompaktes Gefüge aus einkristallinen Bereichen verschiedener Orientierung und Korngröße aufweist. Auch das häufig als multikristallines Silicium bezeichnete Material, welches aus einkristallinen Bereichen einheitlicher Orientierung aufgebaut ist und zumeist als Grundmaterial in der Solarzellenherstellung dient, lässt sich einsetzen. In der Regel wird man das Silicium mit der jeweils am besten geeigneten Kristallinität durch Vorversuche ermitteln, wobei auch der gewünschte Einsatzbereich und der Preis des jeweiligen Ausgangsmaterials zu berücksichtigen ist.

Stücke aus kristallinem, insbesondere einkristallinem Silicium, vorteilhaft Stabstücke, deren Länge günstig der gewünschten Länge des Federelements entspricht, stellen die eigentlichen Ausgangskörper dar. Sie werden einer abtragenden Bearbeitung unterworfen, um die Federelemente herauszuarbeiten. Bewährt hat sich insbesondere die mechanische Bearbeitung durch Schleifen, bei der mittels eines abtragenden Werkzeuges geeigneter Härte, z.B. einem diamantbesetzten Werkzeug, von dem rotierenden Ausgangskörper das überflüssige Silicium abgeschliffen wird, bis die gewünschte Schrauben- oder Spiralstruktur erreicht ist. Als andere Möglichkeit der mechanischen Bearbeitung kommt Schleifen mit losem Korn, z.B. Siliciumcarbid, Borcarbid oder Siliciumnitrid in Frage.

Vor allem bei kleindimensionierten Federelementen sich neben der mechanischen abtragenden Bearbeitung auch die thermische Ablation mittels Laser bewährt. Bei großdimensionierten Federelementen wird die Laserablation zweckmäßig nicht für die gesamte Bearbeitung des Ausgangskörpers eingesetzt, obwohl dies grundsätzlich nicht ausgeschlossen ist, sondern wird vorteilhaft für die Schluß- und Feinbearbeitung angewendet.

Auch die chemische abtragende Bearbeitung, z.B. durch Ätzen, wird zweckmäßig nur in der Endphase des Bearbeitungsvorganges eingesetzt, etwa um verunreinigte oder in ihrer Kristallinität gestörte Oberflächenschichten von beispielsweise auf mechanischem Wege erzeugten Schrauben- oder Spiralfederelementen aus einkristallinem Silicium zu entfernen. Ein solches abschließendes Ätzen kann z.B. durch Eintauchen des Federelements in eine Silicium ätzende Lösung, wie etwa eine Flusssäure – Salpetersäuremischung oder eine alkalische Ätzmischung oder durch reaktives Ionen-Ätzen vorgenommen werden.

Die erfindungsmäßigen Schrauben- oder Spiralferdern aus kristallinem, insbesondere einkristallinem Silicium lassen sich mit besonderem Vorteil in solchen Fällen verwenden, bei denen es auf Temperaturbeständigkeit und/oder hohe Reinheit ankommt. Einsatzmöglichkeiten liegen daher in der Halbleitertechnologie, insbesondere bei thermischen Prozessen, z.B. bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen. Andere Einsatzbereiche sind solche, bei denen es auf hohe Genauigkeit ankommt, wie z.B. Wägesysteme, Druckschalter oder Sensoren.

In einer Weiterführung des Erfindungsgedanken ist vorgesehen, die Federelemente aus kristallinem, insbesondere einkristallinem Silicium mit einer dünnen, beispielsweise 0,01 bis 5 Mikrometer dicken Oberflächenbeschichtung zu versehen, um die chemische und/oder thermische Beständigkeit zu steigern. Solche Oberflächenbeschichtungen lassen sich in an sich bekannter Weise, z.B. durch Oxidieren, Nitridieren, Oxinitridieren oder Carbidisieren der Siliciumoberfläche erzeugen. Derart behandelte Federelemente können vielfach unter Bedingungen eingesetzt werden, denen unbeschichtetes Silicium nicht oder nur unbefriedigend standzuhalten vermag. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Siliciumoberfläche durch Aufbringen von Lacken oder Polymerüberzügen zu schützen.

Ausführungsbeispiel:

Aus einem Siliciumeinkristallrundstab (Durchmesser 10 cm, (100)-Orientierung) wurde mittels Drahtsäge ein ca. 5 cm langes zylinderförmiges Stabstück herausgesägt.

Dieses Stabstück wurde zunächst durch Beschleifen der Zylinderfläche auf einen über die gesamte Stablänge gleichmäßigen Durchmesser von 5 cm gebracht, der dem gewünschten Außendurchmesser des zu erzeugenden Spiralfederelements entsprach. Das erhaltene Stabstück wurde anschließend in eine Drehmaschine eingespannt und in Drehung um die Zylinderachse versetzt. Mittels eines Schleifwerkzeugs wurde nun von der Zylinderoberfläche her das überflüssige Silicium bis zu einer Eindringtiefe von 1,0 cm abgetragen, so dass ein zentraler Siliciumkern (Durchmesser ca. 3,0 cm) von der gewünschten Schraubenstruktur (Dicke 0,5 cm, Windungsabstand 0,5 cm) umgeben war. Dieser Kern wurde anschließend durch Bohren entfernt, so dass das gewünschte Federelement in Form einer Schraubenfeder zur Verfügung stand. Der in Schraubenform gewundene Federkörper hatte einen Außendurchmesser von 5 cm und einen Innendurchmesser von 3 cm, wobei das einkristalline Silicium einen rechteckigen Querschnitt von 0,5 cm Dicke und 1,0 cm Breite aufwies; das Federelement besaß 20 Windungen.

Auf diese Weise wurden insgesamt 5 Federelemente hergestellt.

Die Federelemente ließen sich ohne Bruch auf ca. 2 cm zusammendrücken und auf ca. 6 cm auseinanderziehen. Die Federkonstante blieb nach mehrtägigen Zug- und Drucktests unverändert.

Eines der Federelemente wurde einem mehrtätigem Belastungstest bei 800°C unterworfen. Die Federkonstante blieb nach dem Test unverändert.

Claims

Federelemente in Form von Schrauben- oder Spiralfedern, welche aus kristallinem, insbesondere einkristallinem Silicium bestehen und einen Innendurchmesser von 3 mm bis 35 cm aufweisen und durch eine mechanische abtragende Bearbeitung die gewünschte Schrauben- oder Spiralform erhalten haben.
Federelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt besitzten.
Federelemente nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das einkristalline Silicium eine (100)- oder (111)-Orientierung aufweist.
Federelemente nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie, mit einer Oberflächenbeschichtung versehen sind.
Federelemente nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung Siliciumdioxid, Siliciumoxynitrid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid oder ein Polymer ist.
Verfahren zur Herstellung von Federelementen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a. Bereitstellen eines Ausgangskörpers aus kristallinem, insbesondere einkristallinem Silicium; b. mechanische abtragende Bearbeitung des Ausgangskörpers solange, bis das überflüssige Silicium entfernt ist und das verbleibende Silicium die gewünschte Schrauben- oder Spiralfederform besitzt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische abtragende Bearbeitung mittels diamantbesetztem Werkzeug bei rotierendem Ausgangskörper erfolgt, oder durch Schleifen mit losem Korn, wie Siliciumcarbid, Borcarbid oder Siliziumnitrid.
Verfahren nach den Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische und/oder chemische abtragende Endbearbeitung im Anschluß an eine mechanische abtragende Bearbeitung vorgenommen wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach der abtragenden Bearbeitung eine Oberflächenbeschichtung durch Oxidieren, Nitridieren, Oxinitridieren oder Carbidisieren vorgenommen wird.
Verwendung von Federlelementen nach den Ansprüchen 1 bis 5 in der Halbleitertechnologie bei Wägesystemen, bei Druckschaltern oder bei Sensoren.