JP3183864U - 補強シリコン製マイクロメカニカル部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】新規な補強シリコン製マイクロメカニカル部品を提供する。
【解決手段】時計の機構に組み込まれる補強シリコン製マイクロメカニカル部品は、前記部品の表面内に二酸化珪素が充填されたクラックが存在することを特徴とする。前記部品の機械特性に対して何の悪影響を有しない。
【選択図】図３

Description

本考案は、シリコン製の補強マイクロメカニカル部品の製造方法に関する。本考案は、高い機械抵抗（特に耐衝撃性）と優れた潤滑特性を有するシリコン製マイクロメカニカル部品の製造方法に関する。更に詳細には、本考案は、運動しているマイクロメカニカル部品に対してその他の部品類が摩擦接触状態に配置されるようなマイクロメカニカル部品の製造方法に関する。これらのマイクロメカニカル部品は、例えば、軸ピン部品類のような可動部品類又は例えば、ベアリングなどのような固定部品類などであることもできる。特に限定的な事例ではないが、これらの部品類は機械式時計ムーブメント用のマイクロメカニカル部品であることもできる。

シリコンは機械部品、特にマイクロメカニカル部品の製造に広範に使用されている材料である。この場合、部品は、これらの部品が機械的に組み立てられる基板に接合されたままの“固定”部品であるか、又は、時計ムーブメントの運動学的連鎖部分を構成する部品のような“自由”部品であるか否かを問わない。

歯車、蝶番又はスプリングなどのようなマイクロメカニカル部品の製造に従来から使用されてきた金属又は合金に較べて、シリコンは密度が３倍〜４倍も低いので極めて低い慣性を有し、かつ、磁界に対して無反応であるという優れた利点を有する。これらの利点は、等時性及び運転期間の双方の点で時計設計技術分野で特に有益である。

しかし、シリコンはショック（衝撃）に対して敏感であるという欠点も有する。このような衝撃は組立中や操作中に不可避であり、また、例えば、ユーザーが腕時計を何かで叩いたり又は落下させたりしたときに不意に起こる。

特許文献１には、シリコン製マイクロメカニカル部品の機械抵抗を高める方法が記載されている。特許文献１によれば、部品がシリコンウエハ中に微細機械加工されたら、その表面を二酸化珪素層で被覆する。この層は、９００℃〜１２００℃の範囲内の温度で部品の表面を熱酸化することにより形成される。熱酸化処理期間は、元の二酸化珪素の厚さよりも少なくとも５倍超の厚さの二酸化珪素層が得られるように決定される。

特許文献１に記載されたこの方法の欠点は、二酸化珪素が、得られた部品の摩擦係数を著しく高めることである。この欠点を解決するために、特許文献１では、非晶質（アモルファス）二酸化珪素上に別の材料の被膜を追加する。二酸化珪素層の上面に別の被膜を追加することからなるこの解決法は被膜層の多重化という欠点を有する。更に、特定の被膜は二酸化珪素に十分に接着しない。

国際公開パンフレット第２００７／０００２７１号

本考案の目的は、特許文献１に記載された方法により製造された部品の機械抵抗に匹敵する機械抵抗をシリコン製マイクロメカニカル部品に付与し、更に、二酸化珪素層が被覆されていないシリコン部品に匹敵する摩擦特性をシリコン製マイクロメカニカル部品に付与する、シリコン製マイクロメカニカル部品の製造方法を提供することである。

上記の課題を解決するために、本考案は補強シリコン製マイクロメカニカル部品の製造方法を提供する。

本考案の時計の機構に組み込まれる補強シリコン製マイクロメカニカル部品は、その表面内に二酸化珪素の“脈”が存在することを特徴とする。

本考案者が実験繰り返したところ、驚くべきことに、二酸化珪素層を除去する本考案のステップは前記部品の機械特性に対して何の悪影響も有しないことが発見された。換言すれば、本考案により製造された部品の機械抵抗は、前記特許文献１に記載された方法により製造された部品の機械抵抗と実質的に同一である。更に、本考案により製造された部品の摩擦特性は極めて良好である。

下記に説明される仮説は本質的に本考案を限定したり、制限したりするものではない。この点を念頭において、以下本考案を説明する。

先ず、二酸化珪素層が部品の表面に形成されたとき、二酸化珪素層は部品の外面だけを単に排他的に被覆するものではない。二酸化珪素層はシリコン中のクラック（亀裂）、ギャップ又はその他の微小孔を満たし、かつシールする。化学的観点から、シリコン原子は別のシリコン原子よりも酸素原子に対して一層高い親和力を有するので、二酸化珪素は強力な接着力を有し、また、二酸化珪素層はシリコン中の割れ目にとって極めて効率的な溶接部を形成する。

二酸化珪素層が除去された時、外面からのストリッピング（剥離）が自然と発生する。従って、シリコン中の微小孔内部の二酸化珪素層はエッチングされず最後まで残る。その結果、二酸化珪素層が除去された時、或る程度の量の二酸化珪素層脈又は挿入物が残り、シリコン部品の表面内の微小孔を満たす。これら二酸化珪素層“溶接物”の存在はシリコンを補強することができ、その結果、形成部品の機械抵抗を高めることができる。

本考案の方法によれば、二酸化珪素層は９００℃〜１２００℃の範囲内の温度で部品の表面を熱酸化することにより形成される。本考案の方法によれば、二酸化物の形成反応はシリコンを消費する。従って、酸化ステップが進行するにつれて徐々に、シリコンの新規な層との界面を形成するシリコン表面は後退する。シリコン表面の後退は、シリコン中の最も薄い表在クラック又はその他の微小孔を消失させる効果を有する。従って、これら表在クラック又はその他の微小孔を満たす必要性も無くなる。

以上述べたように、本考案の効果は、特許文献１に記載されたシリコン製マイクロメカニカル部品の機械抵抗を高める方法に付随する欠点を完全に解消できることである。

（左の図）はシリコン製マイクロメカニカル部品の当初の切片の断面図であり、（右の図）は前記（左の図）の或る部分の模式的拡大断面図であり、シリコン表面に２個の微小クラックと１個の微小孔の存在を示す。 （左の図）は二酸化珪素層が形成された後の図１（左の図）の切片の断面図であり、（右の図）は二酸化珪素層が形成された後の図１（左の図）の対応するクラック部分の模式的拡大断面図である。 （左の図）は二酸化珪素層が除去された後の図２（左の図）の切片の断面図であり、（右の図）は二酸化珪素層が除去された後の図２（右の図）の対応するクラック部分の模式的拡大断面図である。

以下、本考案の実施の形態について、添付図面を参照しながら更に詳細に説明する。

本考案の方法により製造することができる補強マイクロメカニカル部品は例えば、歯車、がんぎ車、パレット又はアーバーのようなその他のピボット部品などである。更に、本考案の方法によれば、例えば、ベアリング（軸受け）などのような受動部品も製造することができる。

図１ａはシリコンコア１を有するマイクロメカニカル部品の断面の全体的な模式図であり、符号３は当初の外面を示す。シリコン部品を或る期間の間、大気中に放置すると、シリコン部品は“自然酸化物”と呼ばれる二酸化珪素（図示されていない）で自然に被覆される。この厚さは概ね１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内である。図１ｂは前記図１ａの或る部分の模式的拡大断面図であり、シリコン表面に２個の微小クラック１２と１個の微小孔１４の存在を示す。これら微小クラック及び微小孔の存在は、シリコン部品を一層壊れ易く、かつ、砕け易いものにすることが容易に想像できる。

図２ａは、９００℃〜１２００℃の範囲内の温度でシリコン部品の表面を熱酸化することにより二酸化珪素層が形成された後の図１ａの断面を示す。“Semiconductor devices: physics and technology”, John Wiley & Sons出版, ISBN0-471-874248, 01.01 1985発行, p.341-355に記載されたプロトコルがこの目的に適用される。従って、約１．９μｍの厚さのＳｉＯ_２を得るためには、１１００℃の温度で約１０時間熱酸化する必要がある。図２ａに示されるように、二酸化物はシリコンの損傷部に形成され、その前面３は後退して、形成されたＳｉＯ_２と新たな界面５を生成する。逆に言えば、ＳｉＯ_２の密度が低いので、ＳｉＯ_２の外面７はシリコン部品の当初の表面を越えて延びている。図示されているこれらの境界線３，５及び７の位置は模式的であり、正確な寸法を示すものではない。図２ｂは二酸化珪素層が形成された後の、図１ｂと同じ部分の拡大断面を示す。この図から明らかなように、シリコンと形成されたＳｉＯ_２との間の界面５が後退されたので、表在微小孔１４は完全に消失されている。また、この図から明らかなように、微小クラック１２は二酸化珪素により完全に満たされている。

図３ａは、二酸化珪素層がフッ化水素酸溶液によるエッチングにより除去された後のシリコン部品の同じ断面を示す。エッチング処理によりＳｉＯ_２層が除去されると、図２におけるシリコンと二酸化珪素層との間の界面に相当する境界５が新たな外面となる。酸化によりシリコンの一部が消費されるので、本考案の方法により形成されるマイクロメカニカル部品の寸法は、微細機械加工中のマイクロメカニカル部品の寸法よりも僅かに小さい。しかし、Ｓｉ及びＳｉＯ_２の物理特性及び熱処理の特徴の知識を使用することにより、処理後の所望寸法を得るために部品をカッティングするための初期寸法を計算することができる。図３ｂは、二酸化珪素層２が除去された後の図１ｂ及び図２ｂと同じ部分の拡大断面を示す。この図から明らかなように、二酸化珪素の“脈”が微小クラック１２内部に残留している。微小クラック内部の二酸化物の浸蝕を最少にするために、二酸化珪素のストリッピングのステップは、二酸化珪素層２が除去されたら直ぐに中断することが好ましい。ＳｉＯ_２の化学特性及びストリッピングに使用される希フッ化水素酸の化学特性の知識を使用することにより、ＳｉＯ_２層の除去及びクラック１２内の二酸化物脈の保持のための最適曝露時間を計算することができる。前記に説明したように、シリコン原子は別のシリコン原子よりも酸素原子に対して一層高い親和性を有する。これらの条件において、二酸化珪素のスレッドによる微小クラックの充填は、本考案の方法により製造されるマイクロメカニカル部品に対して優れた機械抵抗を付与することができる。

更に、熱酸化により二酸化物層が形成された時、シリコン表面は後退する。例えば、シラン（ＳｉＨ_４）又はＴＥＯＳ（Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４）などを使用する別の方法で二酸化物層を形成することにより、前記マイクロメカニカル部品の収縮を防止しながら本考案の方法を実行することは理論的に可能である。

フッ化水素酸溶液は二酸化珪素層を除去するための唯一の手段ではない。この目的を達成するのに好適と思われる全ての手段を使用できる。例えば、ＢＨＦなどを使用できる。

更に、本考案の方法に別のステップを追加することもできる。例えば、その潤滑特性について選択された材料からなる被膜を、ＳｉＯ_２が除去された後のシリコン表面に形成するステップを追加することもできる。当業者は、この目的に好適と思われるその他の材料を選択することができる。例えば、ダイヤモンド・ライク・カーボン（ＤＬＣ）又はカーボン・ナノチューブなどを使用できる。

以上の説明は、本考案の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本考案の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本考案の技術的範囲に包含される。実用新案登録請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、考案の容易なる理解の為に付したものであり、考案を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と実用新案登録請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。用語「又は」に関して、例えば「Ａ又はＢ」は、「Ａのみ」、「Ｂのみ」ならず、「ＡとＢの両方」を選択することも含む。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。

１ シリコンコア
２ 二酸化珪素層
３ シリコンコアの当初の外面
５ 形成されたＳｉＯ_２との界面
７ ＳｉＯ_２の外面
１２ 微小クラック
１４ 微小孔

Claims (1)

1. 時計の機構に組み込まれる補強シリコン製マイクロメカニカル部品において、
   前記部品の表面内に二酸化珪素の“脈”が存在する
   ことを特徴とする補強シリコン製マイクロメカニカル部品。
   
   

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