JP2023519195A - シリコンベースの時計部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、時計部品の製造方法に関し、本方法によれば、時計部品の所望の形状を有するシリコンベースの要素が製造され、要素の機械的強度を高めるために、要素には、シリコンの所定の厚さを除去する熱酸化及び脱酸処理が施される。本方法は、熱酸化及び脱酸処理が複数のステップで実行され、各ステップは熱酸化段階及びそれに続く脱酸段階を含むことを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、詳細には腕時計又は懐中時計のためのシリコンベースの時計部品の製造方法に関する。

シリコンは、その有利な特性、詳細には低密度、高い耐腐食性、非磁性、及び微細加工技術による加工能力により、機械式時計製造において高く評価されている材料である。そのため、ヒゲゼンマイ、テンプ、可撓性案内部材を含む振動器、アンクル、ガンギ車の製造に使用されている。

それにも関わらず、シリコンには機械的強度が低いという欠点がある。この欠点は、一般的に機械加工に用いられるエッチング法、すなわちＤＲＩＥと呼ばれる深掘り反応性イオンエッチングによって悪化し、鋭いエッジが残り、要素の側面に波紋状の平面欠陥（「スカラップ」と呼ぶ）が生じる。この低い機械的強度は、ムーブメントに組み込む際の部品の取り扱いで又は時計に衝撃が加わった際に問題となる。部品は実際に簡単に壊れる可能性がある。この問題に対処するため、シリコン時計部品は、一般に、国際公開第２００７／０００２７１号明細書に記載されているように、本来の酸化物の厚さよりもはるかに大きな厚さの酸化シリコン被覆によって強化される。この被覆は一般的に最終的な部品に残るが、欧州特許第２２７７８２２号明細書の教示によれば、機械的強度に大きな影響を与えることなく除去することができる。

ばねの場合、機械的強度は、部品がその機能を果たすために動作中に壊れることなく弾性的に変形することができるには十分である必要がある。テンプ用のヒゲゼンマイの場合又はピボットのない振動器の可撓性案内部材の場合、動作時の応力は比較的小さく、最大でも数百ＭＰａ程度なので、理論的には酸化シリコン層によってもたらされる機械的強度で十分であると考えられる。しかしながら、動作振動数（４Ｈｚ、１０Ｈｚ、５０Ｈｚ）を考慮すると、繰り返し数が多く、疲労破壊のリスクがある。主ゼンマイ、特に香箱ゼンマイ、又はハンマー又はロッカーばねのような他のばねでは、動作中に受ける応力がほぼ数ＧＰａ程度であり、鋼、ニッケルリン合金、ニバフレックス（登録商標）（Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅをベースにした合金、弾性限界は約３．７ＧＰａ）、金属ガラス（スイス特許第６９８９６２号明細書及びスイス特許第７０４３９１号明細書参照）、金属／ダイヤモンド又はメタロイド／ダイヤモンド複合材料（本出願人のスイス特許第７０６０２０号明細書参照）などの高い弾性限界の製工材料を選ぶ必要がある。

本出願人の国際公開第２０１９／２０２３７８号明細書以来、特に高い応力に耐えることができると共に高い疲労強度を有するシリコン製の時計用ばねを製造することができる。この出願に記載された方法は、シリコンばねの品質、特に表面状態及びエッジの真円度をかなり改善する一連のステップを含み、結果的に、５ＧＰａに近い平均破壊応力を得ることができる。この方法によれば、ばねは、順次、熱酸化、脱酸、還元雰囲気中でのアニール処理、及び酸化シリコン層での被覆が行われ、代替的にアニール処理は、熱酸化の前に実行することができる。しかしながら、この方法には、アニールステップの実行が高価であり、かさばる機械を使用する必要があるという欠点がある。

国際公開第２００７／０００２７１号明細書 欧州特許第２２７７８２２号明細書 スイス特許第６９８９６２号明細書 スイス特許第７０４３９１号明細書 スイス特許第７０６０２０号明細書 国際公開第２０１９／２０２３７８号明細書

本発明は、これらの欠点を改善することを目的とし、より一般的には、高い機械的強度を有するばね又は他の時計部品を適切なコストで製造できるようにすることを目的とする。

この目的のために、時計部品の製造方法が提案され、本方法によれば、時計部品の所望の形状を有するシリコンベースの要素が製造され、この要素には要素の機械的強度を高めるためにシリコンの所定の厚さを除去する熱酸化及び脱酸処理が施され、この処理は複数のステップで実行され、各ステップは熱酸化段階及びそれに続く脱酸段階を含む。

シリコン要素が熱酸化すると、その表面に現れる酸化シリコン層は、厚さの４４％に相当する深さでシリコンが消費されて形成される。従って、シリコン酸化膜の除去後には、初期破壊を成す表面欠陥（波紋、亀裂、割れなど）が減少した又は除去された、縮小されたシリコン要素が残る。

この効果は、先行技術で知られており、例えば、上記の欧州特許第２２７７８２２号明細書に記載されている。しかしながら、本出願人は、酸化－脱酸シーケンスが、その都度、熱酸化段階とそれに続く脱酸段階の複数の段階で実行される場合、部品の機械的強度が著しく向上することを見出している。

酸化－脱酸シーケンスを複数回実行することは、先行技術で確かに知られているが（欧州特許第３１８１９３８号明細書、国際公開第２０１９／１６６９２２号明細書、国際公開第２０１９／１８０５９６号明細書、欧州特許第３４１６００１号明細書参照）、対応する方法は常に、ヒゲゼンマイの剛性又は振動器の周波数を調整することを目的としており、酸化－脱酸シーケンスの繰り返しは、決して機械強度を高めることを目的としていない。さらに、これらの方法では、酸化及び脱酸により、シリコンの所定の厚さを除去することはできない。実際には、酸化－脱酸シーケンスの各新規実行に先立ち、剛性又は周波数の測定ステップがあり、この測定ステップによって、このシーケンス中に除去されるシリコンの厚さが決まる。従って、除去されるシリコンの全厚さは、この厚さが時計部品の剛性又は周波数のいかなる測定とも関連しない本発明とは異なり、事前に決定することができない。

時計部品がヒゲゼンマイ又は可撓性ピボットを有する振動器である場合、本発明による方法の熱酸化及び脱酸処理は、例えば、欧州特許第３１８１９３８号明細書及び欧州特許第３４１６００１号明細書に記載されているように、剛性又は周波数の測定ステップ及び除去されるシリコンの厚さの計算ステップに先行する１又は２以上の酸化－酸化シーケンスによって、部品の剛性又は周波数を調整することを目的としているステップが続くことができる。

剛性又は周波数の調整は、代替的に、本発明による熱酸化及び脱酸処理の前に実行することができる。本発明による熱酸化及び脱酸処理によって除去されるシリコンの所定の厚さが与えられると、処理後に所望の剛性又は周波数を得るために、どのような剛性又は周波数で部品を調整しなければならないかが実際に分かる。

また、たとえ酸化シリコン層に関しては、以下に示されるように、熱酸化及び脱酸化段階の繰り返しによって酸化シリコン層が不必要になるとしても、例えば酸化シリコン層、トライボロジー特性を改善する層、酸素に対するバリアを形成する層、又は可能性のあるデブリを閉じ込めるために使用される層などの最終層を部品上に形成することによって、本発明による方法を完了することができる。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して与えられる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。

本発明の特定の実施形態による製造方法の異なるステップを示す。 いくつかの異なるバッチの要素に関して得られた見かけの破断応力値をボックスプロットで示すグラフである。 いくつかの異なるバッチの要素に関して得られた見かけの破断応力値をボックスプロットで示すグラフである。

図１を参照すると、本発明によるシリコンベースの時計部品の製造方法の特定の実施形態は、ステップＥ１からＥＮを含む。

第１のステップＥ１は、シリコンウェハに、好ましくは、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）により、時計部品の所望の形状を有する要素をエッチングするものである。

シリコンは、単結晶、多結晶、又は非晶質とすることができる。すべての物理的特性の等方性のためには、多結晶シリコンが好ましい場合がある。また、本発明で使用するシリコンは、ドープされる場合又はドープされない場合がある。シリコン自体の代わりに、要素は、シリコンオンインシュレータ基板（ＳＯＩ基板）のエッチングによって、１又は２以上の薄い中間酸化シリコン層によって分離された厚いシリコン層からなる複合材料で製造することができる。

本方法の第２のステップＥ２は、２つの段階に分かれている。第１の段階Ｅ２ａにおいて、要素は、例えばジオキシンガス又は水蒸気からなる酸化性雰囲気中で、通常６００℃から１３００℃の間、好ましくは９００℃から１２００℃の間、より好ましくは９５０℃から１１５０℃の間の温度で熱的に酸化される。この酸化は、所定の厚さ、典型的には０．５μｍから２μｍの間、好ましくは約１μｍに等しい酸化シリコン（ＳｉＯ₂）層が要素の表面に得られるまで行われる。この酸化シリコン層は、シリコンの消費による成長で形成され、これはシリコンと酸化シリコンとの間の界面を後退させ、シリコンの表面欠陥を低減させる。ステップＥ２の第２の段階Ｅ２ｂにおいて、要素は脱酸される、換言するとシリコン酸化物層は、例えばウェットエッチング、気相エッチング又はドライエッチングによって、好ましくはフッ化水素酸によるウェットエッチングによって、除去される。

次に、第２のステップＥ２は、一定とすることができる又は１つの酸化－脱酸シーケンスから別のシーケンスで異なることができるパラメータで、少なくとも１回繰り返される。しかしながら、好ましくは、各酸化で形成される酸化シリコンの厚さは同じである。最後の酸化－脱酸ステップ（ＥＮ）の終了時に、シリコンの全厚さが要素から除去されているが、その値は、シリコン及び酸化シリコンの物理的特性、及び熱処理パラメータによって決まる。これらの特性及びパラメータを知ることにより、ステップＥＮの終了時に所望の寸法を得るためにステップＥ１でエッチングされる要素の寸法を計算することができる。

典型的に、要素は、同一のシリコンウェハで同時に製造された同一の要素のバッチの一部である。ステップＥＮの後、要素及びバッチの他の要素は、ウェハから切り離される。

図２は、本発明による方法によって得られた顕著な結果を示す。比較のために、図２は、６つの異なるバッチに分かれている同一の３点曲げ試料で測定された見かけの破壊応力を示す。
－バッチ１：ＤＲＩＥのみによって製造された試料（ステップＥ１のみ）。このバッチは、基準バッチである。
－バッチ２：ＤＲＩＥによって製造され、熱酸化によって厚さ１μｍのシリコン酸化層で被覆した後、脱酸によってこの酸化層を除去した試料（ステップＥ１及びＥ２のみ）。
－バッチ３：ＤＲＩＥによって製造され、２μｍの厚さを有する酸化シリコン層で被覆し、次にこの酸化層を除去する脱酸を行う熱酸化を受けた試料（ステップＥ１及びＥ２のみ）。
－バッチ４：本発明による方法（ステップＥ１、Ｅ２及びＥ３）に従って２つの酸化－脱酸化ステップで製造した試料、これらの各ステップにおける酸化は、１μｍの厚さの酸化シリコン層の形成をもたらす。
－バッチ５：ＤＲＩＥによって製造され、３μｍの厚さの酸化シリコン層で被覆する熱酸化を受けた後、この酸化層を除去する脱酸（ステップＥ１及びＥ２のみ）を受けた試料。
－バッチ６：本発明による方法（ステップＥ１からＥ４）に従って製造された試料であり、３つの酸化－脱酸ステップを有し、これらの各ステップにおける酸化は、１μｍの厚さの酸化シリコン層の形成をもたらす。

これらの試料はすべて同じシリコンウェハから製造される。

図２のグラフにおいて、矩形ボックスは要素の５０％を表し、各ボックスの両側の２つのセグメントの各々は要素の２５％を表す。各ボックス内の横線は中央値を表す。ドットは平均値を表す。

平均値並びにボックスの下端（７５％の要素からなる集団に対する最小の見かけの破壊応力の値に対応する）は、それぞれバッチ３及び５よりも本発明に従って製造されたバッチ４及び６に関してはるかに高いことに留意することは興味深いことである。従って、本発明は、除去されたシリコンの同じ厚さに関して、これが複数の脱酸処理の実施を伴うとしても、酸化－脱酸を複数の段階で実施することが好ましく、機械的強度の点で得られる利点はこの欠点を大きく上回ることを明示する。

ステップＥ３からＥＮ、すなわちステップＥ２の繰り返しは、有利には、国際公開第２０１９／２０２３７８号明細書に記載の方法のアニール処理及び最終酸化シリコン層形成のステップに取って代わるので、時計部品の製造を大幅に簡略化することができる。本発明による方法は、最終酸化シリコン層で時計部品を被覆するステップによって補完することができるが、そのような層によってもたらされる機械的強度の増加は、追加の酸化ステップの実施によって示される欠点と比較してかなり限られるか又は存在さえしない。このことは、図３のグラフに示されており、ＤＲＩＥによって製造され、各酸化で１μｍの厚さの酸化物を形成する２つの酸化－脱酸シーケンスを経た３点曲げ試料（バッチ７）は、同じシリコンウェハから得られた、同様の方法で得られ処理された試料であって、さらに１μｍの最終熱酸化層（バッチ８）又は３μｍの最終熱酸化層（バッチ９）で被覆されているものと統計的に近い機械強度を有することが分かる。

その結果、最終酸化シリコン層で時計部品を被覆する代わりに、最終部品は、必然的に自然酸化物の薄い層で覆われるようにすることができる。変形例として、時計部品上に、良好なトライボロジー特性を有する材料層、例えばダイヤモンド（ＤＬＣ）又はカーボンナノチューブの形態で結晶化した炭素の層、酸素に対するバリアを形成する層、又は部品が破損した場合にデブリを閉じ込めるのに役立つ例えばパリレンの層を形成することができる。

本発明は、弾性である又は弾性部分を有し、動作中又は組立中に高い変形応力に耐える必要がある時計部品、例えば主ゼンマイ（詳細には香箱ゼンマイ）、特定の戻りばね（特にハンマー、レバー、ロッカー、爪用のばね）、可撓性案内部材を含む時計部品（詳細には振動器、レバー又はロッカー）、又はこの部品を軸などの支持部材上に取り付けるのを助ける弾性部品を備える時計部品（詳細には、歯車、コレット、アンカー又はインパルスピン）などに特に関心がある。別の有利な用途は、動作繰り返し数が多く、従って疲労破壊の対象となる時計用ばね、例えばヒゲゼンマイ及び可撓性案内部材を含む振動器のブレードである。しかし、本発明は、動作中、取り扱い中、又は組み立て中に衝撃を受けやすい剛性の時計部品、詳細にはテンプ、レバー、ロッカー、アンカー、ハンマー、レーキ、フィンガー、ホイール、コレット、軸、振り石、フレーム要素（特にブリッジ）、文字盤又は指示針にも適用される。

Claims (11)

1. 時計部品の製造方法であって、本方法では、前記時計部品の所望の形状を有するシリコンベースの要素が製作され、前記要素には前記要素の機械的強度を高めるためにシリコンの所定の厚さを除去する熱酸化及び脱酸処理が施され、前記処理は複数のステップで実行され、各ステップは熱酸化段階及びそれに続く脱酸段階を含む、時計部品の製造方法。
2. 前記要素を製作する工程は、シリコンベースのウェハをエッチングする工程を含む、請求項１に記載の時計部品の製造方法。
3. 前記エッチングは、深掘り反応性イオンエッチングである、請求項２に記載の時計部品の製造方法。
4. 前記熱酸化段階の各々は、６００℃から１３００℃の間、好ましくは９００℃から１２００℃の間、好ましくは９５０℃から１１５０℃の間からなる温度で実行される、請求項１から３のいずれか１項に記載の時計部品の製造方法。
5. 前記脱酸段階の各々は、エッチング工程、例えばウェットエッチング、気相エッチング又はドライエッチング工程を含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の時計部品の製造方法。
6. 熱酸化段階の各々は、０．５から２μｍの間、好ましくは約１μｍに等しい厚さを有する酸化シリコン層の形成をもたらす、請求項１から５のいずれか１項に記載の時計部品の製造方法。
7. 前記熱酸化及び脱酸処理の後に、酸化シリコンの最終層を形成するステップが存在しない、請求項１から６のいずれか１項に記載の時計部品の製造方法。
8. 前記時計部品は、弾性であるか又は少なくとも１つの弾性部分を含む、請求項１から７のいずれか１項に記載の時計部品の製造方法。
9. 前記時計部品は、主ゼンマイ、ハンマーばね、レバーばね、ロッカーばね、レークばね、爪ばね、ジャンパーばね、ヒゲゼンマイ、可撓性案内部材を含む時計部品、又は軸などの支持部材への取り付けを助ける１又は２以上の弾性部品を含む時計部品である、請求項１から８のいずれか１項に記載の時計部品の製造方法。
10. 前記時計部品は、テンプ、レバー、ロッカー、アンカー、ハンマー、レーキ、フィンガー、ホイール、コレット、軸、振り石、フレーム要素、文字盤又は指示針である、請求項１から８のいずれか１項に記載の時計部品の製造方法。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法によって得られた時計部品。

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