JP2021518537A - 正確な剛性の計時器の温度補償ひげぜんまいを製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明の計時器のひげぜんまいを製造する方法は、ａ）ウェハの中にひげぜんまいを形成するステップと、ｂ）ひげぜんまい上に温度補償層を形成するステップと、ｃ）所定範囲内の剛性を有するひげぜんまいを特定するステップと、ｄ）随意的に、ウェハから、ステップｃ）で特定されたひげぜんまいを切り離すステップと、ｅ）ひげぜんまいの他のものを、少なくとも一部の剛性が所定範囲内になるように修正するステップと、ｆ）ひげぜんまいの他のものと、ステップｄ）で切り離されていない場合にステップｃ）で特定されたひげぜんまいとをウェハから切り離すステップと、を含む。本方法は、ひげぜんまいの間の製造ばらつきを少なくすることができる。【選択図】 図４

Description

本発明は、計時器の温度補償ひげぜんまいを製造する方法に関し、より詳細には、計時器の機械的振動子を形成するために、テンプと共に使用することが意図された計時器の温度補償ひげぜんまいに関する。

欧州特許第１４２２４３６号は、コア及び該コアを覆う層を備える計時器の温度補償ひげぜんまいを開示し、この層は、弾性率の温度係数がコア材料とは反対符号の材料から形成される。従って、この層は、コアの弾性係数の変動を温度に応じて補償し、その厚さは、同様に、振動子の周波数が温度に鈍感であるように、テンプの慣性モーメントの変動を補償するのに十分であるように選択することができる。典型例において、コアは単結晶シリコンであり、温度補償層は酸化シリコンである。

欧州特許第３１８１９３８号及び欧州特許第３１８１９３９号は、所定の剛性の計時器のひげぜんまいの製造を可能にする方法を記載する。欧州特許第３１８１９３８号による方法では、ａ）所定の剛性のひげぜんまいを得るのに必要な寸法よりも大きな寸法のひげぜんまいを形成し、ｂ）このように形成されたひげぜんまいの剛性を決定し、ｃ）所定の剛性のひげぜんまいを得るために除去される材料厚さを計算し、ｄ）計算された材料厚さをステップａ）で形成したひげぜんまいから除去する。欧州特許第３１８１９３９号による方法では、ａ）所定の剛性のひげぜんまいを得るのに必要な寸法よりも小さな寸法のひげぜんまいを形成し、ｂ）このように形成されたひげぜんまいの剛性を決定し、ｃ）所定の剛性のひげぜんまいを得るために必要な不足材料厚さを計算し、ｄ）ステップａ）で形成いたひげぜんまいを修正して不足材料厚さを補償する。上記の両方法において、一連のステップｂ）、ｃ）、及びｄ）は、ひげぜんまいの寸法品質を改善するために繰り返すことができる。ステップｄ）の後で、具体的には上記の欧州特許第１４２２４３６号の教示に従って温度補償ステップを実行する。

欧州特許第３１８１９３８号及び欧州特許第３１８１９３９号の方法によって、同じウェハ又は異なるウェアから製造されたひげぜんまい間の製造ばらつきを低減することが可能になる。それにも関わらず、同じウェハからのひげぜんまいの間に剛性の差異が依然として見られる。実際には、各ウェハ上に数百のひげぜんまいが作られる。次に、得られたひげぜんまいは、剛性に応じて分類される。従って、数十の、例えば、各々がいくらかのひげぜんまいを含む６０の階級を提供することができる。次に、各階級のひげぜんまいは、各テンプ−ひげぜんまい振動子が実質的に所定の周波数を有するように、対応する階級のテンプとマッチングされる（テンプは、実際には自身の慣性モーメントに応じて分類される）。次に、一般的にはテンプが運ぶ慣性ブロックによって周波数の微調節が行われる。詳細には、ひげぜんまい間の剛性のばらつきに起因する多数の階級は、多数の構成要素の在庫の管理を必要とする。

欧州特許第１４２２４３６号 欧州特許第３１８１９３８号 欧州特許第３１８１９３９号

本発明は、同じウェハから製造されたひげぜんまい間の剛性のばらつきを低減することを可能にする、計時器の温度補償ひげぜんまいを製造する方法を提案することを目的とする。

このために、計時器のひげぜんまいを製造する方法が提供され、本方法は、
ａ）ウェハの中にひげぜんまいを形成するステップと、
ｂ）ひげぜんまい上に温度補償層を形成するステップと、
ｃ）所定範囲内の剛性を有するひげぜんまいを特定するステップと、
ｄ）随意的に、ウェハから、ステップｃ）で特定されたひげぜんまいを切り離すステップと、
ｅ）ひげぜんまいの他のものを、少なくとも一部の剛性が所定範囲内になるように修正するステップと、
ｆ）ひげぜんまいの他のものと、ステップｄ）で切り離されていない場合にステップｃ）で特定されたひげぜんまいとをウェハから切り離すステップと、
を含む。

本発明は、製造バッチ内でのばらつきを低減するために、完成したひげぜんまいの微修正を可能にする。さらに、本発明による方法は、それ自体、できるだけ長くウェハ上にひげぜんまいを保持することが重要である工業生産に良好に役立つ。

本発明の特徴及び利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことで明らかになるはずである。

本発明による方法の概略図である。 本発明による方法の第１のステップでウェハ及びウェハ上に形成されたひげぜんまいの斜視図である。 本発明による別のステップで得られた温度補償層を支持するひげぜんまいの巻きの断面図である。 図３のステップで得られたひげぜんまいの剛性に関するばらつき示す図である。

図１を参照すると、本発明による計時器のひげぜんまいを製造する方法は、一連のステップ１１から２３を含む。このひげぜんまいは、詳細には、一緒になって特に腕時計用の機械的計時器の振動子を形成するために、テンプのための弾性リターン要素として用いることが意図されている。

ステップ１１において、ウェハが調達され、ウェハの中に、例えばディープ反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）によって又はレーザーエッチングによって、ひげぜんまいがエッチングされる。好ましい実施形態において、ウェハは、シリコンベースの材料で、例えば、シリコン自体で、又は２つのシリコン層の間に酸化シリコン層を備えるシリコンオンインシュレータタイプ（ＳＯＩ）の多層材料で作られる。シリコンオンインシュレータの場合、ステップ１１で得られたひげぜんまいは、多層ひげぜんまい（シリコン−酸化シリコン−シリコン）とすることができる。また、多層ひげぜんまいは、ウェハの第１の部分に各ひげぜんまいの第１の部分をエッチングし、ウェハの第２の部分に各ひげぜんまいの第２の部分をエッチングし、次にウェハの２つの部分を接合することで製作することができる。より詳細な多層ひげぜんまいの製造方法は、国際公開第２０１６／１２８６９４号に見出すことができる。また、ＳＯＩウェハから始めて、シリコンの上層のみにひげぜんまいをエッチングし、次にシリコンの下層及び酸化シリコンの中間層を除去することができ、本方法が続けられるウェハは上側のシリコン層から形成される。

一般的な方法において、本発明では、シリコンは単結晶、多結晶、又は非結晶とすることができる。また、ドープすることもできる。それにも関わらず、ガラス、セラミック、金属、又は金属合金などのシリコンベース材料以外の材料を用いることができる。

ステップ１１の終わりで、エッチングされたひげぜんまいは、図２に示すような材料ブリッジによってウェハに対して取り付いたままであり、ここでは単純化のために、単一のひげぜんまい３１がウェハ３３の中に描かれており、このひげぜんまいは、材料ブリッジ３５によってウェハ３３に取り付けられている。

ステップ１３において、欧州特許第３１８１９３８号又は欧州特許第３１８１９３９号に記載された方法が適用され、これらの特許は、引用により本出願に組み込まれている。従って、ウェハにエッチングされたひげぜんまいを代表する剛性を決定し（ステップ１３ａ）、この決定の結果を使用して、所定の剛性を得る目的でひげぜんまい上に付加、除去、又は修正すべき材料厚さを計算し（ステップ１３ｂ）、所定の剛性を得る目的で計算した材料厚さを使用してひげぜんまいを修正し（ステップ１３ｃ）、ステップ１３ａ、１３ｂ、及び１３ｃは、１回又は複数回繰り返される。

ステップ１３ａで決定した剛性は、ウェハ内にエッチングされた全てのひげぜんまいの平均剛性、これらのひげぜんまいのサンプルの平均剛性、又はこれらのひげぜんまいのうちの１つの剛性とすることができる。所定のひげぜんまいに関して、剛性は、ひげぜんまいを、ウェハに依然として取り付いているか否かを問わず、所定の慣性モーメントをもつテンプに結合し、テンプ−ひげぜんまい組立体の周波数を測定し、測定値から計算によってひげぜんまいの剛性を推定することで決定することができる。特に、このウェハに依然として取り付いている全てのひげぜんまいの剛性の決定を行い、次にその平均を計算すること、又は依然としてウェハに取り付いているひげぜんまいのサンプルの剛性の決定を行い、次にその平均を計算すること、又は事前にウェハから切り離されたひげぜんまいのサンプルの剛性の決定を行い、次にその平均を計算することができ、これらの切り離されたひげぜんまいは、本方法の残りの部分のために犠牲になる。

次に、ウェハに取り付いている全てのひげぜんまいに対して好ましくは同時にステップ１３ｃが実行される。ステップ１１において、所定の剛性をもつひげぜんまいを得るのに必要な寸法よりも大きな寸法でひげぜんまいがエッチングされた場合、ステップ１３ｃは、均一な又は不均一な様式で、その外面の全体又は一部にわたってひげぜんまいから或る材料厚さを除去することから成ることができる。ステップ１１において、所定の剛性をもつひげぜんまいを得るのに必要な寸法よりも小さな寸法でひげぜんまいがエッチングされた場合、ステップ１３ｃは、均一な又は不均一な様式で、その外面の全体又は一部にわたってひげぜんまいに或る材料厚さを付加することから成ることができる。

ステップ１３ｃでの材料の除去は、ウェットエッチング、気相エッチング、プラズマエッチング、又はレーザーエッチングなどのエッチングで行うことができる。シリコンベースのひげぜんまいの場合、材料の除去は、除去されるシリコンベース材料の厚さを酸化シリコン（ＳｉＯ２）に転換するためにひげぜんまいを酸化させて、次に酸化シリコンを除去することで行うこともできる。ひげぜんまいは、酸化させるために炉内に置いて酸化雰囲気中で８００から１２００°Ｃの温度に晒すことができる。

ステップ１３ｃでの材料の付加は、何らかの付加方法、例えば、熱酸化法、ガルバニック成長法、物理蒸着法、化学蒸着法、又は原子膜蒸着法によって行うことができる。ひげぜんまい上に蒸着される材料は、ウェハと同じ材料又はこれとは異なる材料とすることができる。

材料の付加又は除去の代替手段として、ステップ１３ｃにおいて、ひげぜんまいの寸法を必然的に修正することなく、ステップ１３ｂで計算した材料厚さを修正することができる。詳細には、例えば、格子間原子又は置換原子の結晶化、ドーピング、又は拡散によって、ひげぜんまいの外面の全て又は一部の所定深さにわたって化学構造又は組成を修正することができる。

本発明による方法のステップ１５において、ひげぜんまい上に、好ましくは図３に示すように外面全体にわたって参照符号３７で表される温度補償層を形成する。この温度補償層の材料は、ステップ１３の終わりに得られるひげぜんまいを形成する材料とは反対符号の弾性率の温度係数を有する。ひげぜんまいがシリコンベースの材料である場合、温度補償層は、典型的には酸化シリコンであり、８００から１２００°Ｃの温度で酸化雰囲気に晒すためにひげぜんまいを炉内に置くことで、熱酸化によって得ることができる。温度補償層は、温度に応じてひげぜんまいの弾性係数の変動を全体的に又は部分的に補償する。また、これらのひげぜんまいが使用され、結果的にひげぜんまい−テンプ振動子を温度に鈍感にすることが意図されたテンプの慣性モーメントにおいて、温度補償層は、同様に温度に応じてひげぜんまいの弾性係数の変動を補償するために、ひげぜんまいの弾性係数の変動を過度に補償することができる。

ステップ１７において、ウェハに依然として取り付いた状態でひげぜんまいの各々の剛性を決定する。これを行うために、各ひげぜんまいに関して、ひげぜんまいを所定の慣性モーメントを有するテンプに結合し、テンプ−ひげぜんまい組立体の周波数を測定し、ひげぜんまいの剛性をこの測定値から計算によって推定する。変形例として、ひげぜんまいの一部だけの剛性を決定し、これらから他のひげぜんまいの剛性を推定することができる。例えば、ウェハのそれぞれの領域を代表するひげぜんまいの剛性を決定することができ、同じ領域のひげぜんまいは、実質的に同じ剛性を有する。

本発明の方法のこの段階で、複数のひげぜんまいの剛性は、図４に示す曲線３９のタイプの分散曲線上で、Ｎ数の階級、例えば６０の階級に分散する。本発明の方法の残りは、階級の数を低減することを意図する。このために、ひげぜんまいの一部だけが、例えば、Ｎ／２の最初の階級又はＮ／２の最後の階級が適合するとみなされ、他のひげぜんまいは、これらを適合状態にするために修正される。このようにして階級の数は半分になる。

従って、ステップ１９において、例えばＮ／２の最初の階級又はＮ／２の最後の階級に対応する所定範囲の剛性を有するひげぜんまいは、適合すると見なされてウェハから切り離される。他のひげぜんまいは、ウェハ上に残される。

ステップ２１において、ウェハ上に残されたひげぜんまいは、その剛性が所定範囲に入るように修正される。所定範囲の選択に従って、ウェハ上に存在する全てのひげぜんまいに関して温度補償層の厚さは、好ましくは、ひげぜんまいの剛性をそれぞれ増加又は減少させるために同時に増加又は減少される。温度補償層に付加される又はそこから除去される厚さ値は、計算によって事前に決定することができる。詳細には、本出願は、シリコンコアで形成されたひげぜんまいと、シリコンコアの厚さ（幅）の１０％に等しい厚さの酸化シリコンの外側の温度補償層とに関して、温度補償層の厚さのわずか５％の修正が、温度に応じて稼働することに関して、すなわち最大±０．６秒／日／度（ｓｅｃｏｎｄ／ｄａｙ／ｄｅｇｒｅｅ）のＣＯＳＣ （Ｃｏｎｔｒｏｌｅ Ｏｆｆｉｃｉｅｌ Ｓｕｉｓｓｅ ｄｅｓ Ｃｈｒｏｎｏｍｅｔｒｅｓ ［Ｓｗｉｓｓ Ｏｆｆｉｃｉａｌ Ｃｈｒｏｎｏｍｅｔｅｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ］）の要件を順守しながら、階級の数Ｎを半分にするのを可能にしたことに留意している。この相当な階級数の低減は、構成要素の在庫の管理を容易にしかつコストを下げる。

図４は、適合すると見なされる剛性の所定範囲がＮ／２の最初の階級に対応する場合、ステップ２１のひげぜんまいの修正が、好ましくこれらのひげぜんまいの各々がＮ／２の最初の階級のうちの１つに属すことができるように、所定範囲の長さに等しい距離にわたって、ウェハ上に存在するひげぜんまいの分散曲線の左側への変位をもたらすことを示す（曲線４１）。逆に、適合すると見なされる剛性の所定範囲がＮ／２の最後の階級に対応する場合、ステップ２１のひげぜんまいの修正が、好ましくこれらのひげぜんまいの各々がＮ／２の最後の階級のうちの１つに属すことができるように、所定範囲の長さに等しい距離にわたって、ウェハ上に存在するひげぜんまいの分散曲線の右側への変位をもたらすことを示す（曲線４３）。図４に示す２つの形態（曲線４１及び４３）は、２つの最適な形態である。勿論、ウェハから切り離されたひげぜんまい及び依然として取り付いたままのひげぜんまいに関して、Ｎ／２よりも大きいがＮ未満の階級の全数をもたらす中間形態が可能である。

ステップ２１で温度補償層の厚さを増加させるために、ひげぜんまいが酸化シリコンの温度補償層で覆われたシリコンベースの材料のコアを備える場合、ステップ１３ｃ及び１５に関して上記のように熱酸化させることができる。

ステップ２１で温度補償層の厚さを低減させるために、気相エッチング、プラズマエッチング、ウェットエッチング（例えば、フッ化水素酸を使用する）又はレーザーエッチングなどのエッチング技術を実行することができる。

材料を温度補償層に付加する又はそこから除去する代替案として、ステップ２１において、温度補償層の化学構造又は組成を、必然的にその厚さを修正することなく所定の深さにわたって修正することができる。この化学構造又は組成の修正は、例えば、注入、拡散、又は他のプロセスによる温度補償層のドーピングから成ることができる。

変形例において、ステップ２１で温度補償層の厚さを増加させる代わりに、温度補償層上に該温度補償層とは異なる材料を蒸着させることができる。詳細には、蒸着は、物理蒸着、化学蒸着、又は原子薄膜蒸着とすることができる。温度補償層とは異なる材料は、金属、酸化物、窒化物、又は他の材料とすることができる。

最後のステップ２３において、ウェハの中に残ったひげぜんまいが切り離される。次に、全てひげぜんまいは、テンプとマッチさせることができるようにその階級に従って保管される。

本発明の１つの変形例において、ステップ１９では、適合すると認定されたひげぜんまいは、ウェハの中に残されるが、例えばマスク用いて、ステップ２１で実行される処理から保護される。従って、ステップ２１において、適合しないと見なされたひげぜんまいだけが修正され、最後のステップ２３において、全てのひげぜんまいがウェハから切り離される。

Claims (12)

1. 計時器のひげぜんまいを製造する方法であって、
   ａ）ウェハの中にひげぜんまいを形成するステップと、
   ｂ）前記ひげぜんまい上に温度補償層を形成するステップと、
   ｃ）所定範囲内の剛性を有する前記ひげぜんまいを特定するステップと、
   ｄ）随意的に、前記ウェハから、ステップｃ）で特定された前記ひげぜんまいを切り離すステップと、
   ｅ）前記ひげぜんまいの他のものを、少なくともいくつかの剛性が前記所定範囲内になるように修正するステップと、
   ｆ）前記ひげぜんまいの他のものと、ステップｄ）で切り離されていない場合にステップｃ）で特定された前記ひげぜんまいとを前記ウェハから切り離すステップと、
   とを含む方法。
2. ステップｅ）は、前記ひげぜんまいの他のものに対して同時に実行される、請求項１に記載の方法。
3. ステップｅ）は、前記温度補償層を修正するステップを含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. ステップｅ）は、前記温度補償層の厚さを修正するステップを含む、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記ステップｅ）は、前記温度補償層の厚さを増加させるステップを含む、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. ステップｅ）は、前記温度補償層の厚さを減少させるステップを含む、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
7. ステップａ）とステップｂ）との間で、
   （ｉ）前記ウェハの中に形成されたひげぜんまいを代表する剛性を決定するステップと、
   （ｉｉ）ステップ（ｉ）の結果から、所定の剛性を得るために前記ひげぜんまいを修正するステップと、
   を含む、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. ステップａ）とステップｂ）との間で、前記一連のステップ（ｉ）及び（ｉｉ）を一度または複数回繰り返す、請求項７に記載の方法。
9. ステップａ）は、１又は複数のエッチングステップを含む、請求項１から８のいずれかに記載の方法。
10. ステップａ）で形成された前記ひげぜんまいは、シリコンであるか又は少なくとも１つのシリコン層を含む、請求項１から９のいずれかに記載の方法。
11. 前記温度補償層は、酸化シリコンである、請求項１０に記載の方法。
12. ステップａ）で形成された前記ひげぜんまいは、ガラス、セラミック、金属、又は金属合金である、請求項１から９のいずれかに記載の方法。

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