JP2017053852A - マイクロメカニカル時計部品を製造するための方法及び上記マイクロメカニカル時計部品 - Google Patents

マイクロメカニカル時計部品を製造するための方法及び上記マイクロメカニカル時計部品 Download PDF

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Abstract

【課題】シリコン上に好適な材料の厚い層を迅速に堆積させることができる、シリコン系マイクロメカニカル時計部品を製造するための方法を提供する。【解決手段】マイクロメカニカル時計部品を製造するための方法は、ａ）上記シリコン系基板１の表面の少なくとも一部の表面に、所定の深さの細孔２を形成するステップ、ｂ）ダイヤモンド、ダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）、酸化ケイ素、窒化ケイ素、セラミック、ポリマー及びこれらの混合物から選択された材料で、細孔２全体を充填し、細孔２内に、細孔２の深さと少なくとも等しい厚さの上記材料の層を形成するステップを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、シリコン系の強化型マイクロメカニカル時計部品を製造するための方法に関する。同様に本発明は、特に上記方法によって得ることができる、シリコン系の強化型マイクロメカニカル時計部品に関する。
シリコンは、マイクロメカニカル時計部品、特に部品がその上で機械加工されるシリコン系基板上に接続されたままとなる部品の製造において使用されることがますます多くなっている材料である。
歯付きホイール又は脱進機の構成部品等のマイクロメカニカル時計部品の製造のために標準的に使用される金属又は合金に対して、シリコンは多数の利点を有する。シリコンは極めて軽量かつ極めて硬質な材料であり、従ってシリコンはその慣性を大幅に低減でき、その結果効率を改善できる。同様にシリコンは、複雑な又はモノブロックの部品を製造可能とする。
シリコンの特性を改善又は修正するために、シリコン全体に亘って好適な材料の層を堆積させることが知られている。よって、シリコンの摩擦学的特性を改善するために、例えば薄膜気相堆積（ＣＶＤ／ＰＶＤ）法によって、シリコン上にダイヤモンドを堆積させる。
しかしながらこれらの方法は、その堆積速度が、堆積層の厚さが数ミクロンを超えるとあまりに遅くなり得ることが分かっている。実際には、ＣＶＤ装置の堆積速度は例えば典型的には１０ナノメートル／分程度であるため、この技術は一般に、数ミクロンを超える層の製造には使用されない。
従って、シリコン上に好適な材料の厚い層を迅速に堆積させることができる、シリコン系マイクロメカニカル時計部品を製造するための方法を提案する必要がある。
この目的のために、本発明は、マイクロメカニカル時計部品を製造するための方法に関し、この方法はシリコン系基板から開始され、以下のステップをこの順で含む：
ａ）上記シリコン系基板の表面の少なくとも一部の表面に、所定の深さの細孔を形成するステップ；
ｂ）ダイヤモンド、ダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）、酸化ケイ素、窒化ケイ素、セラミック、ポリマー及びこれらの混合物から選択された材料で、上記細孔全体を充填し、上記細孔内に、上記細孔の上記深さと少なくとも等しい厚さの上記材料の層を形成するステップ。
本発明は同様に、上で定義した方法によって得ることができる、マイクロメカニカル時計部品に関する。
本発明は同様に、シリコン系基板を備えるマイクロメカニカル時計部品に関し、上記シリコン系基板は、その表面のうちの１つの少なくとも一部の表面に、所定の深さの細孔を有し、上記細孔全体は、ダイヤモンド、ダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）、酸化ケイ素、窒化ケイ素、セラミック、ポリマー及びこれらの混合物から選択された材料の、上記細孔の上記深さと少なくとも等しい厚さの層で充填される。
有利には、上記時計部品は、シリコン系基板の及び上記材料で充填された上記細孔の表面上に、上記材料の表面層を備えることができる。
本発明による方法により、基板の表面上に事前に細孔を形成することによって、初期表面よりも遥かに大きい実際の基板表面を形成でき、その結果、好適な材料の見かけの堆積速度を大幅に上昇させることができる。従って本発明による方法により、シリコン系基板の表面上に、好適な材料の厚い層を、同様ではあるが細孔を有しない基板の平坦な表面上での堆積に比べて大幅に低減された短い時間で製造できる。
本発明の目的、利点、特徴は、単なる非限定的な例として挙げられ、添付の図面に図示されている、本発明の少なくとも１つの実施形態に関する以下の詳細な説明において、より明らかとなるであろう。
図１は、本発明による製造方法のあるステップの概略図である。 図２は、本発明による製造方法の別のステップの概略図である。 図３は、本発明による製造方法の更に別のステップの概略図である。
本発明による、シリコン系基板から開始される、マイクロメカニカル時計部品を製造するための方法は、まずａ）上記シリコン系基板の表面の少なくとも一部の表面から開始して、所定の深さの細孔を形成するステップを含み、上記細孔は、上記シリコン系基板の外側表面において外向きに開口している。シリコン系基板は、形成されることになるマイクロメカニカル時計部品に応じて選択される。製造されることになるマイクロメカニカル時計部品に応じたシリコン系基板の最終形状は、本発明の方法の実装前又は後に与えられる。本発明では、表現「シリコン系基板（ｓｉｌｉｃｏｎ‐ｂａｓｅｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）」は、基板内のシリコン層及びシリコン製の基板両方を指す。好ましくは、図１に示すように、シリコン系基板１はシリコンウェハ又はＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）ウェハである。細孔は、基板の平面に対して平行な表面上、及び基板の平面に対して垂直な表面上の両方に形成できる。
有利には、このステップａ）は、電気化学エッチングによる方法、「ステインエッチング（Ｓｔａｉｎ‐ｅｔｃｈ）」タイプの方法及び「ＭＡＣエッチング（ＭＡＣ‐Ｅｔｃｈ）」タイプの方法からなる群から選択された方法によって達成できる。
電気化学エッチングによる方法は、電気化学的陽極酸化処理による方法とすることができる。この方法の実装には、水溶液中の、又は濃度１〜１０％のエタノールと混合されたフッ化水素酸を含有する電気化学浴を使用する必要がある。シリコンのエッチングを引き起こす電気化学的条件を生成するために、電流及び電極が必要である。上記電気化学的条件に従って、様々なタイプの細孔を得ることができる。このような方法は当業者には公知であり、本明細書において詳細な情報は不要である。
「ステインエッチング」タイプの方法は、多孔性シリコンの形成が直接得られる、シリコンの湿式エッチングに基づく。典型的には、エッチングは、ＨＦ：ＨＮＯ3の比が５０〜５００：１であるＨＦ／ＨＮＯ3／Ｈ2Ｏ溶液を用いて行われる。本方法は、浴中における給電の必要がないという利点を有する。このような方法は当業者には公知であり、本明細書において詳細な情報は不要である。
好ましくは、ステップａ）は「ＭＡＣエッチング」タイプの方法によって達成される。この方法は、局所的な化学エッチング反応を触媒するための貴金属の粒子の使用に基づく。典型的には、貴金属（金、銀、白金）の極薄層（１０〜５０ｎｍ）をランダムに、又はリフトオフ、エッチング、レーザ等によって堆積及び構造形成する。貴金属は好ましくは金である。より詳細には、金の粒子を、ＨＦ／Ｈ2Ｏ2混合物中の溶液として使用できると有利である。粒子のサイズは５〜１０００ｎｍとすることができる。上記構造形成は、金のリソグラフィ、エッチング又はリフトオフによって得ることができる。別の選択肢は、極めて微細な非閉鎖層（５〜３０ｎｍ）の蒸着又はカソード粉砕（スパッタリング）である。熱処理が金の島組織の形成に寄与できる。
貴金属の層を有するシリコンをＨＦ／Ｈ2Ｏ2混合物の水溶液中に含浸させると、貴金属は、シリコンの溶解を局所的に触媒する。このエッチング溶液は典型的には、４ｍｌ：１ｍｌ：８ｍｌ（４８％ＨＦ：３０％Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏ）〜４ｍｌ：１ｍｌ：４０ｍｌ（４８％ＨＦ：３０％Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏ）を含むことができる。シリコンの溶解は、好ましくは金属の下側で発生し、その後この金属はシリコン内に漸進的に貫入する。この反応は、シリコン結晶の配向、表面の配列、ドーピング、浴の化学的性質によって本質的に影響される伝播モードに従って、相当な深さ（＞１００μｍ）に亘って継続させることができる。「ＭＡＣエッチング」タイプの方法は、浴中における給電の必要がなく、その一方でシリコン中に極めて深い（＞１００μｍ）の細孔の形成が可能であるという利点を有する。従ってこの方法は、時計構成部品の製造のために一般的に使用される基板としてのＳＯＩウェハと共に使用するために特に好適である。
シリコン系基板に形成される細孔が好適なジオメトリ及びサイズを有するようにするために実装するべき、上述の方法のパラメータは、当業者には公知である。
特に細孔は有利には、１００：１以下のアスペクト比（深さ：直径比）を有することができる。特に、ステップｂ）をＰＶＤ堆積によって達成する場合、シリコン系基板内の細孔のアスペクト比は好ましくは４：１以下である。ステップｂ）をＣＶＤ又はＭＯＣＶＤ堆積（金属の有機化学蒸着）によって達成する場合、シリコン系基板内の細孔のアスペクト比は好ましくは５０：１以下である。
好ましくは、細孔の深さは１００μｍ超、好ましくは２００μｍ超、より好ましくは３００μｍ超とすることができる。
図２に示すように、ある特定の深さに亘る、シリコン系基板１内の細孔２の形成により、細孔２の間に、同一の深さに亘るシリコン系柱３が形成される。好ましくは、シリコン系柱を、円形断面を有するものとして考える場合、細孔２は、接触するシリコン系柱が存在しない（これによって構造が剛性となる）よう、シリコン系柱３の突出表面が見かけの総表面の７９％未満となるように形成される（これはパーコレーション閾値に対応する）。
本発明による方法の第２のステップｂ）は、ステップａ）中にシリコン系基板内に形成された細孔全体を、ダイヤモンド、ダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）、酸化ケイ素、窒化ケイ素、セラミック、ポリマー及びこれらの混合物から選択された材料で充填することによって、細孔内に、細孔の深さに少なくとも等しい厚さの上記材料の層を形成することからなる。
この第２のステップｂ）は、ステップａ）の直後に、いずれの中間ステップを要することなく実施され、これにより、細孔内に堆積した材料が上記細孔の壁に直接接触する。
好ましくは、ステップｂ）は、複数の薄膜堆積法、例えば化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、薄型原子層堆積（ＡＬＤ）、熱酸化といった方法を含むグループから選択された方法によって達成される。これらの方法は当業者には公知であり、本明細書において詳細な情報は不要である。しかしながら、ＰＶＤ堆積に関して、堆積速度は好ましくは０．１〜５ｎｍ／秒となることを明記できる。ＣＶＤ又はＭＯＣＶＤによる堆積に関しては、堆積速度は好ましくは０．０１〜１０ｎｍ／秒となる。ＡＬＤによる堆積に関しては、堆積速度は例えば０．０１ｎｍ／秒となる。更に熱酸化は、シリコン基板内のシリコンの比率を低減するために特に有利であり、シリコンは、層の厚さのおよそ５０％の速度での成長によって消費される。よって当業者は、シリコンの１００％をＳｉＯ2で置換できるように、シリコン基板内に形成する必要がある細孔の寸法を決定でき、これによって、ＳｉＯ2の極めて厚い層を極めて短い時間で形成できる。
有利には、本発明による方法は、ステップｂ）の後に、ｃ）基板の及び材料で充填された細孔の表面上に上記材料の表面層を形成するステップを含む。より詳細には、この表面層は、ステップｂ）による材料の堆積を延長することによって、細孔２全体を材料で充填するだけでなく、材料で充填された細孔２全体に亘って、及び柱３全体に亘って上記材料を堆積させることにより、図３に示すように、厚さｈ０の上記材料の完全な層４を形成することによって得ることができる。このようにして、柱３、材料で充填された細孔２及び完全な層４を含む、厚さｈ１の複合層が得られる。従って、ｈ０／ｈ１の比は例えば１０％程度とすることができる。
このように、本発明による方法により、堆積されたシリコン／材料、又はシリコンが全て置換された場合は堆積された材料の厚い層をベースとする、厚い複合層を備えるマイクロメカニカル時計部品を得ることができる。
ステップａ）の間に基板の表面から開始される細孔の形成により、細孔を有しない初期表面よりも遥かに大きい実際の表面を形成するための大きな波型を形成できる。当業者は、細孔のジオメトリ、及び細孔内の材料の堆積時間を選択することにより、平坦表面全体に亘る堆積に対して大幅に短縮された時間で、シリコンの表面上に厚い層を製造できる。より詳細には、当業者は、細孔のジオメトリ及びサイズを選択することにより：
‐材料の堆積中に細孔を完全に充填すること；
‐ガスの流れを促進すること；
‐堆積された材料の層とシリコン細孔との間に所望の容積比を得ること
が可能である。例えば、必要であれば９０％超の多孔率を有する多孔性シリコンを製造できる。
例えば、ＣＶＤ、ＰＶＤ等の特定の堆積方法に関して、細孔の底部において遅くなるように、堆積速度に傾斜を付ける。このようにして、ガスの流れに関連するこの現象を補償するために、円錐形の（深い位置よりも表面において幅が広い）細孔を形成できる。
よって、細孔内に十分にガスを供給すれば、本発明による方法により、表面層４に対応する厚さｈ０の材料の完全な層を得るために必要な時間に近い堆積時間で、厚さｈ１で堆積されたシリコン／材料複合層を得ることができる。
本発明による方法は有利には、ＣＶＤによってダイヤモンドの厚い層を形成することによる、ガンギ車及びアンクルといったシリコン系の脱進機の構成部品の製造のために実装できる。
本発明による方法は同様に、ＳｉＯ2の堆積のために熱酸化による方法を使用した場合は略中実となるＳｉＯ2の厚い層を形成することによる、シリコン系の脱進機の構成部品の製造のために実装できる。
本発明による方法は同様に、本方法を多孔性シリコン製の領域の構造形成と組み合わせることによって、シリコンの深さ内に、厚さが大きい局所的な層を迅速に形成するために実装できる。
１ シリコン系基板
２ 細孔
４ 表面層

Claims (11)

  1. シリコン系基板（１）から開始して、マイクロメカニカル時計部品を製造するための方法であって、
    前記方法は：
    ａ）前記シリコン系基板（１）の表面の少なくとも一部の表面に、所定の深さの細孔（２）を形成するステップ；
    ｂ）ダイヤモンド、ダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）、酸化ケイ素、窒化ケイ素、セラミック、ポリマー及びこれらの混合物から選択された材料で、前記細孔（２）全体を充填し、前記細孔（２）内に、前記細孔（２）の前記深さと少なくとも等しい厚さの前記材料の層を形成するステップ
    をこの順で含む、方法。
  2. 前記ステップｂ）の後に、ｃ）前記シリコン系基板（１）の及び前記材料で充填された前記細孔（２）の表面上に前記材料の表面層（４）を形成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記ステップａ）は、電気化学エッチングによる方法、「ステインエッチング（Ｓｔａｉｎ‐ｅｔｃｈ）」タイプの方法及び「ＭＡＣエッチング（ＭＡＣ‐Ｅｔｃｈ）」タイプの方法からなる群から選択された方法によって達成される、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記ステップａ）は、「ＭＡＣエッチング」タイプの方法によって達成される、請求項３に記載の方法。
  5. 前記ステップｂ）は、薄膜堆積法及び熱酸化法からなる群から選択された方法によって達成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 前記細孔は、１００：１以下のアスペクト比（深さ：直径比）を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 前記細孔（２）の深さは１００μｍ超、好ましくは２００μｍ超、より好ましくは３００μｍ超である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
  8. 前記シリコン系基板（１）は、シリコンウェハ又はＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）ウェハである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法によって得ることができる、マイクロメカニカル時計部品。
  10. シリコン系基板（１）を備える、マイクロメカニカル時計部品であって、
    前記シリコン系基板（１）は、前記シリコン系基板（１）の表面の少なくとも一部の表面に、所定の深さの細孔（２）を有し、前記細孔（２）全体は、ダイヤモンド、ダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）、酸化ケイ素、窒化ケイ素、セラミック、ポリマー及びこれらの混合物から選択された材料の、前記細孔（２）の前記深さと少なくとも等しい厚さの層で充填される、マイクロメカニカル時計部品。
  11. 前記シリコン系基板（１）の及び前記材料で充填された前記細孔（２）の表面に、前記材料の表面層を備えることを特徴とする、請求項１０に記載のマイクロメカニカル時計部品。
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