JP2017009609A - 接触表面が削減された微小機械構成部品及びその製作方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】材料のウェハを微小機械加工することによって形成される構成部品の摩擦を改善できる、新たなタイプの微小機械構成部品および新たなタイプの制作方法を提案する。
【解決手段】本発明は、少なくとも１つの削減された接触表面を有する、シリコン系構成部品に関し、上記接触表面は、垂直な側壁の「Ｂｏｓｃｈ」エッチングによる、少なくとも１つの傾斜した側壁のエッチングステップによって形成され、特にシリコン系ウェハの微小機械加工によって形成された構成部品の摩擦を改善する。
【選択図】図１１
【解決手段】本発明は、少なくとも１つの削減された接触表面を有する、シリコン系構成部品に関し、上記接触表面は、垂直な側壁の「Ｂｏｓｃｈ」エッチングによる、少なくとも１つの傾斜した側壁のエッチングステップによって形成され、特にシリコン系ウェハの微小機械加工によって形成された構成部品の摩擦を改善する。
【選択図】図１１
Description
本発明は、接触表面が削減された微小機械構成部品、及びその製作のための方法に関する。より具体的には、本発明は、材料のウェハを微小機械加工することによって形成された、上述のような構成部品に関する。
特許文献１は、結晶質又は多結晶シリコン等の非晶質又は結晶質材料のウェハを微小機械加工することによる、時計構成部品の製作が開示されている。
このような微小機械加工は一般に、深掘り反応性イオンエッチング（略語「ＤＲＩＥ」でも知られる）によって得られる。図１〜３に示すように、公知の微小機械加工方法は、基板３上にマスク１を構成すること（図１のステップＡ参照）と、その後、エッチング段階（図１のステップＢ、Ｄ、Ｅ参照）とこれに続くパッシベーション段階（図１のステップＣ、層４参照）とを連続的に併用した「Ｂｏｓｃｈ」深掘り反応性イオンエッチングによって、マスク１のパターンから、異方性の、即ち略垂直なエッチング部５を得る（図２参照）こととからなる。
図３に示すように、「Ｂｏｓｃｈ」深掘り反応性イオンエッチングの例を、シリコンウェハをエッチングするための、時間（秒）に対するＳＦ6の流れ（ｓｃｃｍ）を実線で、及びシリコンウェハのパッシベーション、即ち保護のための、時間（秒）に対するＣ4Ｆ8の流れ（Ｓｃｃｍ）破線で表して示す。これにより、複数の段階が厳密に連続しており、各段階が固有の流れ及び時間を有することがはっきりと分かる。
図３の例では、３００ｓｃｃｍのＳＦ6の流れで７秒間の第１のエッチング段階Ｇ1、次に２００ｓｃｃｍで２秒間のＣ4Ｆ8の流れの第１のパッシベーション段階Ｐ1、次に再び３００ｓｃｃｍのＳＦ6の流れで７秒間の第２のエッチング段階Ｇ2、そして最後に再び２００ｓｃｃｍで２秒間のＣ4Ｆ8の流れの第２のパッシベーション段階Ｐ2が示されており、これ以降は同様に続く。このように、垂直なエッチング部５の壁に多少目立った扇状切り欠きを得るために、特定の個数のパラメータによって、「Ｂｏｓｃｈ」深掘り反応性イオンエッチングを変化させることができることに留意されたい。
製作から数年後、これらの垂直なエッチング部５は、特に摩擦に関して完全に満足できるものではなくなることが分かった。
本発明の目的は、材料のウェハを微小機械加工することによって形成される構成部品の摩擦を改善できる、新たなタイプの微小機械構成部品及び新たなタイプの製作方法を提案することによって、上述の欠点の全て又は一部を克服することである。
従って本発明は、シリコン系微小機械構成部品を製作するための方法に関し、この方法は以下のステップを含む：
ａ）シリコン系基板を準備するステップ；
ｂ）基板の水平部分上に、孔を穿孔したマスクを形成するステップ；
ｃ）エッチング室内において、マスクの孔から基板の厚さの一部分に、略垂直な壁をエッチングして、微小機械構成部品の周縁壁を形成するステップ；
ｄ）ステップｃ）で作製したエッチング部の底部はいずれの保護層も有しないまま残して、垂直壁上に保護層を形成するステップ；
ｅ）エッチング室内において、保護層を有しない底部から基板の残りの厚さに、所定の傾斜した壁をエッチングして、微小機械構成部品の周縁壁の下側に傾斜した下側表面を形成するステップ；
ｆ）マスクから、及び基板から、微小機械構成部品を取り外すステップ。
ａ）シリコン系基板を準備するステップ；
ｂ）基板の水平部分上に、孔を穿孔したマスクを形成するステップ；
ｃ）エッチング室内において、マスクの孔から基板の厚さの一部分に、略垂直な壁をエッチングして、微小機械構成部品の周縁壁を形成するステップ；
ｄ）ステップｃ）で作製したエッチング部の底部はいずれの保護層も有しないまま残して、垂直壁上に保護層を形成するステップ；
ｅ）エッチング室内において、保護層を有しない底部から基板の残りの厚さに、所定の傾斜した壁をエッチングして、微小機械構成部品の周縁壁の下側に傾斜した下側表面を形成するステップ；
ｆ）マスクから、及び基板から、微小機械構成部品を取り外すステップ。
同一のエッチング室内で２つの別個のタイプのエッチング部が得られることが理解される。ステップｅ）の傾斜したエッチング部は、実質的に傾斜した第２の表面を形成でき、また同一の基板上に、接触表面が削減された周縁壁を有する複数の微小機械構成部品を形成できることが極めて明らかである。また、保護層を垂直壁のみに設けた結果として、ステップｅ）の傾斜したエッチング部により、大幅に大きい開角度、及び略直線状のエッチング方向が可能となり、これにより、Ｂｏｓｃｈ深掘り反応性イオンエッチングのパラメータによって制限されることが回避され、一方、ステップｃ）ではこれと対照的に、Ｂｏｓｃｈ深掘り反応性イオンエッチングは最適化された垂直なエッチングパラメータで使用される。
本発明の他の有利な変形例によると：
‐ステップｃ）は、略垂直な壁を形成するために、エッチングガス流とパッシベーションガス流とをエッチング室内で交互に発生させることによって達成され；
‐ステップｄ）は：ステップｃ）で得られたエッチング部を酸化させて、酸化ケイ素保護層を形成する段階ｄ１）；及び保護層に方向性エッチングを施して、ステップｃ）で作製したエッチング部の底部において保護層の一部のみを選択的に除去する段階ｄ２）を含み；
‐ステップｅ）は、傾斜した壁を形成するために、エッチング室内でエッチングガス及びパッシベーションガスを混合することによって達成され；
‐ステップｅ）では、キャビティ底部のエッチング部を増強するために、連続したエッチングガス流とパッシベーションガス流とを反復させる。
‐ステップｃ）は、略垂直な壁を形成するために、エッチングガス流とパッシベーションガス流とをエッチング室内で交互に発生させることによって達成され；
‐ステップｄ）は：ステップｃ）で得られたエッチング部を酸化させて、酸化ケイ素保護層を形成する段階ｄ１）；及び保護層に方向性エッチングを施して、ステップｃ）で作製したエッチング部の底部において保護層の一部のみを選択的に除去する段階ｄ２）を含み；
‐ステップｅ）は、傾斜した壁を形成するために、エッチング室内でエッチングガス及びパッシベーションガスを混合することによって達成され；
‐ステップｅ）では、キャビティ底部のエッチング部を増強するために、連続したエッチングガス流とパッシベーションガス流とを反復させる。
更に本発明は、上述の変形例のうちのいずれかによる方法から得られた微小機械構成部品に関し、上記構成部品はシリコン系本体を含み、上記シリコン系本体の周縁壁は、第１の略垂直な表面及び第２の傾斜した表面を含み、これによって周縁壁の接触表面が削減されることを特徴とする。
本発明によると有利には、微小機械構成部品の周縁又は内部垂直壁は接触表面の削減を提供するか、又は微小機械構成部品の内部壁に沿った部材の挿入により、別の構成部品との摩擦接触の改善を提供できることが理解される。
本発明の他の有利な変形例によると：
‐微小機械構成部品は更に、内部壁を備える少なくとも１つのキャビティを含み、上記内部壁もまた、第１の略垂直な表面及び第２の実質的に傾斜した表面を含み；
‐微小機械構成部品は、時計のムーブメント内の要素又は外装部品の全て又は一部を形成する。
‐微小機械構成部品は更に、内部壁を備える少なくとも１つのキャビティを含み、上記内部壁もまた、第１の略垂直な表面及び第２の実質的に傾斜した表面を含み；
‐微小機械構成部品は、時計のムーブメント内の要素又は外装部品の全て又は一部を形成する。
他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して、非限定的な例として挙げられる以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
本発明は、シリコン系微小機械構成部品を製作するための方法１１に関する。図１２に示すように、方法１１は、シリコン系基板を準備する第１のステップ１３を含む。
用語「シリコン系（ｓｉｌｉｃｏｎ‐ｂａｓｅｄ）」は、単結晶シリコン、ドープ単結晶シリコン、多結晶シリコン、ドープ多結晶シリコン、多孔質シリコン、酸化ケイ素、石英、シリカ、窒化ケイ素又はシリコンカーバイドを含む材料を意味する。当然のことながら、シリコン系材料が結晶相である場合、いずれの結晶配向を使用してよい。
図４に示すように、シリコン系基板３１は典型的には、中間酸化ケイ素層３２で接合された上側シリコン層３０及び下側シリコン層３４を備える、シリコン・オン・インシュレータ（ｓｉｌｉｃｏｎ‐ｏｎ‐ｉｎｓｕｌａｔｏｒ：略語「ＳＯＩ」でも知られる）基板である。しかしながら代替として、この基板は、例えば金属基部等の別のタイプの基部に追加されたシリコン層を備えてもよい。
本方法は、基板３１の水平部分上に、孔３５を穿孔したマスク３３を形成するステップ１５に続く。図４の例では、マスク３３は上側シリコン層３０の上側部分に形成される。マスク３３は、方法１１の後続のエッチングステップに耐えられる材料から形成される。従ってマスク３３は、窒化ケイ素から又は酸化ケイ素から形成してよい。図４の例では、マスク３３は酸化ケイ素から形成される。
本発明によると有利には、方法１１は、エッチング室内において、マスク３３に穿孔された孔３５から基板３１の厚さの少なくとも一部分に、略垂直な壁３６をエッチングして、微小機械構成部品の周縁又は内部壁を形成するステップ１７に続く。
この略垂直なエッチングステップ１７は、典型的には上述の「Ｂｏｓｃｈ」深掘り反応性イオンエッチングであり、即ちエッチングガス流とパッシベーションガス流とをエッチング室内で交互に発生させることによって、略垂直な壁３６を形成する。
実際には、ステップ１７により、図５に示すようにマスク３３に対して略垂直なエッチング方向が可能となる。従って、図５で確認できる断面が略直角四辺形の形状であるエッチング部３９が得られる。当然のことながら、孔３５の形状に応じて、エッチング中に除去される容積の形状は変化する。即ち円形の孔は円柱形のエッチング部をもたらし、正方形の孔は立方体又は直方体のエッチング部をもたらす。
方法１１は、図７に示すようにエッチング部３９の底部３８はいずれの保護層も有しないまま残して、垂直壁３６上に保護層４２を形成するステップ１９に続く。
好ましくは、保護層４２は酸化ケイ素で形成される。実際には、図６、７に示すように、ステップ１９は、基板３１、即ち（酸化ケイ素製である場合）マスク３３の上部全体と、エッチング部３９によって形成された壁３６及び底部３８とを酸化させて、マスク３３上に追加の厚さを形成し、またエッチング部３９の垂直壁３６及び底部３８上にある厚さを形成することによって、酸化ケイ素製の保護層４２を形成するよう構成された、第１の段階１８を含んでよい。
第２の段階２０は、図７に示すように、保護層４２に方向性エッチングを施して、マスク３３の一部から、及びエッチング部３９の底部３８上のみの保護層４２全体から、水平な酸化ケイ素表面を選択的に除去することからなる。
次に方法１１は、同一のエッチング室内において、保護層４２を有しない底部３８から基板３１の残りの厚さに、今回は所定の傾斜した壁３７をエッチングして、微小機械構成部品の周縁壁の下側に傾斜した下側表面を形成するステップ２１に続いてよい。
傾斜したエッチングステップ２１は、上述の「Ｂｏｓｃｈ」深掘り反応性イオンエッチングではない。実際には、保護層４２を設けた結果として、ステップ２１により、遥かに大きい開角度、及び略直線状のエッチング方向が可能となり、これにより、「Ｂｏｓｃｈ」深掘り反応性イオンエッチングのパラメータによって制限されることが回避される。実際には、「Ｂｏｓｃｈ」深掘り反応性イオンエッチングのパラメータを修正しても、湾曲したエッチング方向の場合、開角度は一般に１０°を超えることはできないと考えられる。
本発明によると有利には、ステップ２１は好ましくは、傾斜した壁３７を形成するために、エッチング室内でＳＦ6エッチングガス及びＣ4Ｆ8パッシベーションガスを混合することによって達成される。より具体的には、キャビティの底部のエッチング部を増強するために、連続したＳＦ6エッチングガス流とＣ4Ｆ8パッシベーションガス流とを反復させる。
従って、最適化されたパラメータ修正による「Ｂｏｓｃｈ」深掘り反応性イオンエッチングを用いて得られる最大１０°の代わりに、ステップ２１により、典型的には図８の約４５°である、遥かに大きい開角度が可能となることが理解される。よって本発明によると有利には、ステップ２１により、垂直壁３６の表面を修正することなく、正確な開角度を得ることができる。垂直壁３６と傾斜した壁３７との間の角度は再現性が高く、有利には略０°〜略４５°とすることができる。既に説明したように、「Ｂｏｓｃｈ」深掘り反応性イオンエッチングと比較して注目するべきことは、特に１０°を超える角度でのエッチングが可能となることである。好ましくは、本発明による垂直壁３６と傾斜した壁３７との間の角度は１０°超かつ４５°未満であり、更に好ましくは２０°超かつ４０°未満である。
更に、連続的な流れの反復により、エッチングの指向性を改善でき、また例えばＳＦ6ガスのみを用いる湿式エッチング又は乾式エッチングと同様に、略円錐台状の壁及び球状でない壁（等方性エッチング部と呼ばれる場合もある）さえも提供できる。
図８の壁３７の形状を得るために、例えば、ＳＦ6の流れをＣ4Ｆ8の流れと混合して用いる、第１の期間に亘る第１の段階と、これに続く、ＳＦ6の流れを増大させて、削減されたＣ4Ｆ8の流れと混合して用いる、第２の期間に亘る第２の段階と、第１及び第２の段階の再度の実施と、これ以降同様の手順とを含んでよいシーケンスを適用できる。
例えばこのシーケンスは、５００ｓｃｃｍのＳＦ6の流れと１５０ｓｃｃｍのＣ4Ｆ8の流れとの混合による１．２秒間の第１の段階、６００ｓｃｃｍのＳＦ6の流れと１００ｓｃｃｍのＣ4Ｆ8の流れとの混合による０．８秒間の第２の段階、再び５００ｓｃｃｍのＳＦ6の流れと１５０ｓｃｃｍのＣ4Ｆ8の流れとの混合による１．２秒間の第３の段階、６００ｓｃｃｍのＳＦ6の流れと１００ｓｃｃｍのＣ4Ｆ8の流れとの混合による０．８秒間の第４の段階を含んでよく、これ以降も同様に続く。
このように、連続的な流れの反復によって：ステップ２１中の、キャビティの底部水平面における徐々に幅が広がるエッチング；エッチング部の深さに対する、可能なエッチング部の開口４１；及び偶発的ではあるが、図７から図８への変化において確認できるように、マスク３３の孔３５よりも又はステップ２１の開始時におけるエッチング部３９の底部３８の断面よりも幅広いエッチング部開口４１が得られるまで、上側層３０の下側部分ほど幅広くなったエッチング部開口４１が改善されることに留意されたい。
最後に方法１１は、基板３１から、及びマスク３３から、微小機械構成部品を取り外すステップ２３で終了する。より具体的には、図９、１２に示す例において、ステップ２３は、酸化ケイ素マスク３３と、場合によっては中間酸化ケイ素層３２の全体又は一部とを除去するための脱酸素段階２４、及びこれに続く、例えば選択的な化学エッチングによる支援による、基板３１からの開放段階２５を含んでよい。
図１２において一重線で図示されている方法１１により、同一のエッチング室内において２つの異なるタイプのエッチングが可能となる。また、ステップ２１の傾斜したエッチングにより、大幅に大きい開角度、及び略直線状のエッチング方向が可能となり、これにより、「Ｂｏｓｃｈ」深掘り反応性イオンエッチングのパラメータによって制限されることが回避され、ステップ１７では「Ｂｏｓｃｈ」深掘り反応性イオンエッチングを最適化された垂直エッチングパラメータで使用できることも観察できる。
本発明によると有利には、図１１の例においてホイールを形成する微小機械構成部品５１は、削減された接触表面を有する歯部を形成する周縁壁５４を備える。
構成部品５１の一部分の拡大図である図１０においてよりはっきりと確認できるように、微小機械構成部品５１はシリコン系本体６１を含み、上記シリコン系本体６１の周縁壁５４は、略水平な上側表面５３及び略水平な下側表面５５によって縁取られ、第１の略垂直な表面５６及び第２の傾斜した表面５７を含む。
従って、第２の傾斜した、略直線状の表面５７は、歯部を形成する周縁壁５４を提供し、上記歯部は接触表面が削減されており、これによって別の構成部品との摩擦接触を改善できることが明らかである。また、孔６０の内壁は部材をより容易に受承することもできることが明らかである。
当然のことながら、本発明は図示されている例に限定されるものではなく、当業者には明らかであろう様々な変形及び改変が可能である。特に、シリコン製壁を平滑にするために構成された酸化ステップ２２を、ステップ２１とステップ２３との間に実施してよい。
更に、段階２４と段階２５との間の任意のステップにおいて、エッチング部４１内に金属又は金属合金部分を堆積して、図１１に示すように、微小機械構成部品５１の孔６０内にスリーブ５９を形成してよい。
この金属又は金属合金部分をエッチング部４１全体に被せて、金属のみで形成された、複合材料製微小機械構成部品５１の追加の機能性水平面を形成することさえできる。
よって、基板３１の脱酸素ステップ２４の後、方法１１は、微小機械構成部品に付属物を設けるために、エッチング１７、２１中に形成されたキャビティを金属又は金属合金で選択的に充填するステップに続いてよい。
例えば基板３１の下側層３４は好ましくは強くドープしてよく、電気めっきによる充填のための直接的又は間接的な基部として使用してよい。よって、第１の段階は、マスク３３の上部又はエッチング部４１の一部分に、例えば光感受性樹脂製の鋳型を形成するよう構成されてよい。第２の段階は、下側層３４から、少なくともシリコン製微小機械構成部品とエッチング部４１に形成された鋳型の一部との間に、金属部分を電気めっきすることからなってよい。最後に第３の段階は、第１の段階で形成された鋳型を除去することからなってよい。本方法は、選択的な化学エッチングにより、基板３１から複合材料製微小機械構成部品を取り外す段階２５で終了する。
本発明によると有利には、第１の略垂直な表面５６及び第２の傾斜した表面５７の形状により、ガルバニック蒸着５９は、本質的に垂直な表面よりも除去が困難であり、剪断耐性の改善が得られる。
更に、少なくとも部分的に金属又は金属合金５９で充填された上記少なくとも１つの孔６０は、複合材料製微小機械構成部品５１に付属物を設けることができる。従って図１１の例では、孔６０は円筒形凹部６２を残し、この円筒形凹部６２により、複合材料製微小機械構成部品５１をアーバ上に圧入でき、金属又は金属合金部分５９が膨張した場合に、周縁壁５４の形状の結果として、良好な機械的強度が得られる。
最後に、微小機械構成部品５１は図１１に示すようなホイールの用途に限定されない。よって、微小機械構成部品５１は、時計のムーブメント内の要素又は外装部品の全て又は一部を形成できる。
よって微小機械構成部品５１は非限定的な例として：ヒゲゼンマイ；振り石；天輪；アーバ；振り座；アンクル真、アンクルレバー、アンクルフォーク、爪石又は剣先等のアンクル類；ホイール、アーバ又はカナ等のホイールセット；バー；地板；振動錘；巻き上げステム；軸受；ミドルケース又はホーン等のケース；文字盤；フランジ；ベゼル；プッシュピース；クラウン；ケース裏蓋；針；連結部等のブレスレット；装飾；アプライド・インデックス；風防ガラス；クラスプ；文字盤足部；時刻設定用ステム；又はプッシュピースのシャフトの全て又は一部を形成してよい。
３０ シリコン系基板
３３ マスク
３５ 孔
３６ 略垂直な壁
３７ 所定の傾斜した壁
３８ 底部
３９ エッチング部
４２ 保護層
５１ シリコン系微小機械構成部品
５６ 周縁壁
５７ 下側表面
３３ マスク
３５ 孔
３６ 略垂直な壁
３７ 所定の傾斜した壁
３８ 底部
３９ エッチング部
４２ 保護層
５１ シリコン系微小機械構成部品
５６ 周縁壁
５７ 下側表面
Claims (5)
- シリコン系微小機械構成部品（５１）を製作するための方法であって、
前記方法は、以下のステップ：
ａ）シリコン系基板（３０）を準備するステップ；
ｂ）前記基板（３０）の水平部分上に、孔（３５）を穿孔したマスク（３３）を形成するステップ；
ｃ）エッチング室内において、前記マスク（３３）の前記孔（３５）から前記基板（３０）の厚さの一部分に、略垂直な壁（３６）をエッチングして、前記微小機械構成部品（５１）の周縁壁（５６）を形成するステップ；
ｄ）前記ステップｃ）で作製したエッチング部（３９）の底部（３８）はいずれの保護層も有しないまま残して、前記垂直壁（３６）上に保護層（４２）を形成するステップ；
ｅ）前記エッチング室内において、保護層を有しない前記底部（３８）から前記基板（３０）の残りの厚さに、所定の傾斜した壁（３７）をエッチングして、前記微小機械構成部品（５１）の前記周縁壁（５６）の下側に傾斜した下側表面（５７）を形成するステップ；
ｆ）前記マスク（３３）から、及び前記基板（３０）から、前記微小機械構成部品（５１）を取り外すステップ
を含む、方法。 - 前記ステップｃ）は、前記略垂直な壁（３６）を形成するために、エッチングガス流とパッシベーションガス流とを前記エッチング室内で交互に発生させることによって達成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記ステップｄ）は、以下の段階：
ｄ１）前記ステップｃ）で得られた前記エッチング部（３９）を酸化させて、前記酸化ケイ素保護層（４２）を形成する段階；
ｄ２）前記保護層（４２）に方向性エッチングを施して、前記ステップｃ）で作製した前記エッチング部（３９）の前記底部（３８）において前記保護層（４２）の一部のみを選択的に除去する段階
を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。 - 前記ステップｅ）は、前記傾斜した壁（３７）を形成するために、前記エッチング室内でエッチングガス及びパッシベーションガスを混合することによって達成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記ステップｅ）では、前記エッチング部（３９）の底部水平面において前記エッチング部を増強するために、連続した前記エッチングガス流と前記パッシベーションガス流とを反復させることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
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