KR20170030059A - 마이크로기계 시계 부품을 제조하기 위한 방법 및 상기 마이크로기계 시계 부품 - Google Patents

마이크로기계 시계 부품을 제조하기 위한 방법 및 상기 마이크로기계 시계 부품 Download PDF

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KR20170030059A
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Abstract

실리콘 기재 기판 (1) 으로부터 시작하는 마이크로기계 시계 부품을 제조하기 위한 방법으로서,
a) 결정된 깊이의 상기 실리콘 기재 기판 (10) 의 표면의 적어도 일부 표면 상에 기공들 (2) 을 형성하는 단계; 및
b) 다이아몬드, 다이아몬드형 탄소 (DLC), 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 세라믹스, 폴리머들 및 이들의 혼합물로부터 선택된 재료로, 기공들 (2) 에서, 기공들 (2) 의 깊이와 적어도 동등한 두께의 상기 재료의 층을 형성하기 위해서, 상기 기공들 (2) 을 완전히 충전하는 단계를 순서대로 포함하는, 마이크로기계 시계 부품을 제조하기 위한 방법.
발명은 또한, 실리콘 기재 기판 (1) 의 표면의 적어도 일부 표면 상에, 결정된 깊이의 기공들 (2) 을 갖고, 기공들 (2) 은, 기공들 (2) 의 깊이와 적어도 동등한 두께의, 다이아몬드, 다이아몬드형 탄소 (DLC), 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 세라믹스, 폴리머들, 및 이들의 혼합물들로부터 선택되는 재료의 층으로 완전히 충전되는, 실리콘 기재 기판 (1) 을 포함하는 마이크로기계 시계 부품과 관련된다.

Description

마이크로기계 시계 부품을 제조하기 위한 방법 및 상기 마이크로기계 시계 부품{METHOD FOR MANUFACTURING A MICROMECHANICAL TIMEPIECE PART AND SAID MICROMECHANICAL TIMEPIECE PART}
본 발명은 실리콘 기재의 보강된 마이크로기계 시계 부품들을 제작하기 위한 방법에 관한 것이다. 발명은 또한, 특히 그러한 방법에 의해 획득될 수 있는, 실리콘 기판의 보강된 마이크로기계 시계 부품에 관한 것이다.
실리콘은 마이크로기계 시계 부품들, 특히 머시닝되었던 실리콘 기재 기판에 접속된 상태를 유지하는 부품들의 제조에 있어서 점점 더 많이 사용되고 있는 재료이다.
금속들 또는 합금들에 관하여, 이들은 마이크로기계 시계 부품들, 예컨대 기어 휠들 (toothed wheels), 또는 컴포넌트들을 제조하기 위한 표준으로서 사용된다. 그것은 매우 경량의 매우 경질인 재료이며, 따라서 이 재료가 감소된 관성을 갖고 결과적으로 그 효율을 증가시키는 것을 가능하게 한다. 마찬가지로 실리콘은, 복합 또는 단일 주조 부품들을 제작하는 것을 가능하게 한다.
실리콘의 특성을 개선하거나 변경하기 위해서, 실리콘 상부에 적절한 재료의 층을 성막하는 것이 알려져 있다. 따라서, 그 마찰공학적 특성들을 개선하기 위해서, 예를 들어 박막 기상 증착 (CVD/PVD) 의 방법에 의해 실리콘 상에 다이아몬드가 성막된다.
하지만, 이 방법들은 성막된 층의 두께가 몇 마이크론을 초과할 때 너무 느려지게 되는 것을 입증할 수 있는 성막 레이트를 갖는다. 사실상, CVD 머신들에서의 성막 레이트들은, 예를 들어 통상적으로 대략 10 나노미터/분이고, 이 기법은 일반적으로 몇 마이크론 보다 더 큰 층의 제조를 위해 사용되지 않는다.
따라서, 실리콘 상에 적절한 재료의 두꺼운 층들의 급속 성막을 달성하는 것을 가능하게 하는 실리콘 기재 마이크로기계 시계 부품을 제조하기 위한 방법을 제안하는 것이 필요하다.
이를 위해서, 본 발명은, 실리콘 기재 기판 (1) 으로부터 시작하는 마이크로기계 시계 부품을 제조하기 위한 방법과 관련되며, 방법은,
a) 결정된 깊이의 실리콘 기재 기판의 표면의 적어도 일부 표면 상에 기공들을 형성하는 단계; 및
b) 다이아몬드, 다이아몬드형 탄소 (DLC), 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 세라믹스, 폴리머들 및 이들의 혼합물로부터 선택된 재료로, 기공들에서, 기공들의 깊이와 적어도 동등한 두께의 상기 재료의 층을 형성하기 위해서, 상기 기공들을 완전히 충전하는 단계를 순서대로 포함한다.
본 발명은 또한, 위에서 정의된 방법에 의해 획득될 수 있는 마이크로기계 시계 부품과 관련된다.
발명은 또한, 실리콘 기재 기판의 표면들 중 하나의 적어도 일부 표면 상에, 결정된 깊이의 기공들을 갖고, 상기 기공들은, 기공들의 깊이와 적어도 동등한 두께의, 다이아몬드, 다이아몬드형 탄소 (DLC), 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 세라믹스, 폴리머들, 및 이들의 혼합물들로부터 선택되는 재료의 층으로 완전히 충전되는, 실리콘 기재 기판을 포함하는 마이크로기계 시계 부품과 관련된다.
이롭게, 시계 부품은 재료로 충전된 기공들의 그리고 실리콘 기재 기판의 표면 상에 상기 재료의 표면층을 포함할 수 있다.
발명에 따른 방법은, 기판의 표면 상에 기공들의 앞선 형성 덕분에, 초기 표면 보다 훨씬 더 큰 실제 기판 표면을 생성하고, 결과적으로 적절한 재료의 표면적인 성막 레이트를 크게 증가시키는 것을 가능하게 한다. 따라서, 발명에 따른 방법은, 실리콘 기재 기판의 표면 상에, 유사하지만 비기공 기판의 평면 표면 상의 성막에 대해 크게 감소된, 빠른 시간에 적절한 재료의 두꺼운 층을 제조하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 목적들, 이점들 및 피처들은 단지 한정이 아닌 예시로서만 주어지고 첨부 도면들에 의해 도시되는, 발명의 적어도 하나의 실시형태의 다음의 상세한 설명에서 더 명백하게 나타날 것이다.
- 도 1 내지 도 3 은 발명에 따른 방법을 제조하는 단계들을 개략적으로 도시한다.
발명에 따른 실리콘 기재 기판으로부터 시작하는 마이크로기계 시계 부품을 제조하기 위한 방법은, 먼저 상기 실리콘 기재 기판의 표면의 적어도 일부 표면으로부터 시작하는, 결정된 깊이의 기공들을 형성하는 단계 a) 를 포함하고, 상기 기공들은 실리콘 기재 기판의 외부 표면에서 더 커진다. 실리콘 기재 기판은 형성될 마이크로기계 시계 부품의 기능으로서 선택된다. 제조될 마이크로기계 시계 부품의 기능으로서 실리콘 기재 기판의 최종 형성은 발명의 방법의 구현 전 또는 후에 주어진다. 본 발명에 있어서, 표현 ≪ 실리콘 기재 기판들 ≫ 은 기판에서의 실리콘층 및 실리콘으로 제조된 기판의 양자를 지칭한다. 바람직하게, 도 1 에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기재 기판 (1) 은 실리콘 웨이퍼 또는 SOI 웨이퍼 (실리콘 온 절연체) 이다. 기공들은 기판의 평면에 평행한 표면 및 기판의 평면에 수직인 표면의 양자 모두 상에 형성될 수 있다.
이롭게, 이러한 단계 a) 는 전기화학적 식각에 의한 방법, ≪ 스테인-식각 ≫ 타입의 방법 및 ≪ MAC-식각 ≫ 타입의 방법을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 방법에 의해 달성될 수 있다.
전기화학적 식각에 의한 방법은 전기화학적 양극산화처리에 의한 방법일 수 있다. 그 구현은 1 내지 10 % 의 농도로 에탄올과 혼합된 또는 수용액에 플루오르화 수소산을 함유하는 전기화학적 욕의 사용을 필요로 한다. 실리콘의 식각을 야기하는 전기화학적 조건들을 생성하기 위해 전류 및 전극들이 필요하다. 전기화학적 조건들에 따르면, 다양한 타입의 기공들이 획득될 수 있다. 그러한 방법은 당업자에게 알려져 있으며 여기에서 상세한 정보를 필요로 하지 않는다.
≪ 스테인-식각 ≫ 타입의 방법은, 다공질 실리콘의 형성을 직접 유발하는 실리콘의 습윤 식각에 기초한다. 통상적으로, 식각은 HF/HNO3/H2O 용액으로 일어나며, HF : HNO3 의 비는 50 - 500 : 1 이다. 이 방법은 욕에서의 전기 공급을 필요로 하지 않는 장점이 있다. 그러한 방법은 당업자에게 알려져 있으며 여기에서 상세한 정보를 필요로 하지 않는다.
바람직하게, 단계 a) 는 ≪ MAC-식각 ≫ 타입의 방법에 의해 달성된다. 이 방법은 국부적 화학 식각 반응들을 촉진시키기 위해서 귀금속들의 입자들의 사용에 기초한다. 통상적으로, 귀금속 (금, 은, 백금) 의 매우 얇은 층 (10 - 50 nm) 은 랜덤 방식으로 또는 리프트 오프, 식각, 레이저 등에 의해 성막되고 구조화된다. 바람직하게, 귀금속은 금이다. 특히, 이롭게는 HF/H2O2 혼합물의 용액에서 금의 입자들이 사용될 수 있다. 입자들의 사이즈는 5 와 1,000 nm 사이일 수 있다. 구조화하는 것은 금의 리소그라피, 식각 또는 리프트 오프에 의해 획득될 수 있다. 또 다른 옵션은 매우 미세한, 비폐쇄 층 (non-closed layer)(5 - 30 nm) 의 증발 또는 캐소드 펄버리세이션 (cathodic pulverisation)(스퍼터링) 이다. 금의 섬 형성에 기여하기 위해 열적 처리가 가능할 것이다.
귀금속의 층을 갖는 실리콘이 HF/H2O2 혼합물의 수용액에 침지될 때, 귀금속은 실리콘의 융해를 국부적으로 촉진시킨다. 이 식각 용액은 통상적으로 4 ml : 1 ml : 8 ml (48 % HF : 30 % H2O2 : H2O) 와 4 ml : 1 ml : 40 ml (48 % HF : 30 % H2O2 : H2O) 사이를 포함할 수 있다. 실리콘의 융해는 금속 하에서 바람직하게 생성되고, 그 후 금속이 점진적으로 실리콘 내부로 관통한다. 이 반응은 실리콘 촉매의 배향, 표면 배치, 욕의 도핑 및 케미스트리에 의해 본질적으로 영향을 받는 전파 모드들에 따라 큰 깊이 (> 100 μm) 에 걸쳐서 계속될 수 있다. ≪ MAC-식각 ≫ 타입의 방법은 실리콘에서 매우 큰 깊이 (> 100 μm) 의 기공들의 형성을 허용하면서 욕에서의 전기 공급을 필요로 하지 않는 장점이 있다. 따라서, 이것은 일반적으로 시계 컴포넌트들의 제조를 위해 사용되는 기판으로서 SOI 웨이퍼들과 함께 사용하기에 특히 적합하다.
당업자는 실리콘 기재 기판에 형성된 기공들이 적절한 기하학적 구조 및 사이즈를 갖기 위해서 구현되어야 하는 상술한 방법들의 파라미터들을 알고 있다.
특히, 기공들은 100 : 1 이하의 어스팩트 팩터 (깊이 : 직경 비) 를 갖는 것이 이로울 수 있다. 특히, 단계 b) 가 PVD 성막에 의해 달성될 때, 실리콘 기재 기판에서의 기공들의 어스팩트 팩터는 4 : 1 이하인 것이 바람직하다. 단계 b) 가 CVD 또는 MOCVD (금속 유기 화학 기상 증착) 성막에 의해 달성될 때, 실리콘 기재 기판에서의 기공들의 어스팩트 비는 50 : 1 이하인 것이 바람직하다.
바람직하게, 기공들은 100μm 초과, 바람직하게 200μm 초과, 더욱 바람직하게 300μm 초과의 깊이를 가질 수 있다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 소정 깊이에 걸친 실리콘 기재 기판 (10) 에서의 기공들 (2) 의 형성은, 기공들 (2) 사이에, 동일한 깊이에 걸친 실리콘 기재 필러들 (3) 의 형성을 야기한다. 바람직하게, 실리콘 기재 필러들이 원형 단면을 갖는 것으로 고려할 때, 기공들 (2) 은, 실리콘 기재 필러들 (3) 의 돌출된 표면이, 닿고 있는 실리콘 기재 필러들을 갖지 않도록 하기 위해서, 표면적인 전체 표면의 79 % 미만이도록 형성되며, 이는 구조를 경직화한다 (이것은 페콜레이션 (percolation) 임계치에 대응한다).
발명에 따른 방법의 제 2 단계 b) 는, 다이아몬드, 다이아몬드형 탄소 (DLC), 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 세라믹스, 폴리머들 및 이들의 혼합물들로부터 선택된 재료를, 기공들의 깊이와 적어도 동등한 두께의 상기 재료의 층을 기공들에 형성하기 위해서, 단계 a) 동안 실리콘 기재 기판에 형성된 기공들을 완전히 충전하는 것으로 이루어진다.
이러한 제 2 단계 b) 는, 기공들에 성막된 재료가 상기 기공들의 벽들과 직접 접촉하도록 임의의 중간 단계 없이 단계 a) 후에 바로 실행된다.
바람직하게, 단계 b) 는 박막 성막의 방법들, 예컨대 화학 기상 증착 (CVC), 물리 기상 증착 (PVD), 얇은 원자층 증착 (ALD) 및 열적 산화의 방법들을 포함하는 그룹으로부터 선택된 방법에 의해 달성된다. 이 방법들은 당업자에게 알려져 있으며 여기에서 상세한 정보를 필요로 하지 않는다. 하지만, PVD 성막에 대해, 성막 레이트는 바람직하게 0.1 과 5 nm/s 사이일 것이 특정될 수 있다. CVD 또는 MOCVD 에 의한 성막에 대하여, 성막 레이트는 바람직하게 0.01 과 10 nm/s 사이일 것이다. ALD 에 의한 성막에 대하여, 성막 레이트는 예를 들어 0.01 nm/s 일 것이다. 또한, 열적 산화는 실리콘 기판에서의 실리콘의 비율을 감소시키는데 특히 이로우며, 실리콘은 층 두께의 대략 50 % 레이트의 성장으로 소비된다. 따라서, 당업자는 시간의 매우 짧은 간격으로 SiO2 의 매우 두꺼운 층의 형성을 유발하는, SiO2 에 의한 실리콘의 100 % 대체를 허용하기 위해서 실리콘 기판에 형성될 필요가 있는 기공들을 디멘션할 수 있다.
이롭게, 발명에 따른 방법은, 단계 b) 후에, 재료로 충전된 기공들의 그리고 기판의 표면 상에 상기 재료의 표면 층을 형성하는 단계 c) 를 포함한다. 특히, 이 표면 층은, 도 3 에 나타낸 바와 같이, 두께 (h0) 의 상기 재료의 완료층 (4) 을 형성하기 위해서 기공들 (2) 을 재료로 완전히 충전할 뿐만 아니라 마찬가지로 그 후 재료로 충전된 기공들 (2) 상부 및 필러들 (3) 상부에도 성막하도록 상기 재료를 단계 b) 에 따른 재료의 성막을 연장시키는 것에 의해 획득될 수 있다. 이로써 필러들 (3), 재료로 충전된 기공들 (2) 및 완료층 (4) 을 포함하는 두께 (h1) 의 복합층이 획득된다. 따라서, 예를 들어 대략 10 % 의 비 hO/h1 가 있을 수 있다.
이로써, 발명에 따른 방법은 성막된 실리콘/재료에 기초하는 두꺼운 복합층, 또는 모든 실리콘이 대체되었을 때 성막된 재료의 두꺼운 층도 포함하는 마이크로기계 시계 부품을 획득하는 것을 가능하게 한다.
단계 a) 동안 기판의 표면으로부터 시작하는 기공들의 형성은 기공들 없이 초기 표면 보다 훨씬 더 큰 실제 표면을 생성하기 위해서 큰 파상 (corrugation) 을 생성하는 것을 가능하게 한다. 당업자는 실리콘의 표면 상에 평면 표면 상부의 성막에 대해 크게 감소된 시간에서 두꺼운 층을 제조하기 위해서, 기공들의 기하학적 구조 및 또한 기공들에서의 재료의 성막 시간을 선택할 수 있다. 특히, 당업자는,
- 재료의 성막 동안 기공들의 완전한 충전을 획득하고,
- 가스들의 플로우를 용이하게 하고,
- 성막된 재료의 층과 실리콘 기공들 사이의 체적의 원하는 비를 획득하도록, 기공들의 기하학적 구조 및 사이즈를 선택할 수 있다. 필요하다면, 예를 들어 90 % 초과의 다공성을 갖는 다공질 실리콘을 제조하는 것이 가능하다.
예를 들어, CVD 및 PVD 와 같은 소정의 성막 방법들에 대하여, 성막 레이트는 기공들의 저부에서 더 느려지게 되는 경향이 있다. 이에 따라, 가스들의 플로우와 연관된 이러한 현상을 보상하기 위해서 원뿔형 기공들 (깊이에서 보다 표면에서 더 넓음) 을 제공하는 것이 가능하다.
따라서, 기공들에서의 충분한 가스 공급에 의해, 발명에 따른 방법은 표면층 (4) 에 대응하는 두께 (h0) 의 재료의 완료층을 획득하는데 필요한 것과 근접한 성막 시간에서 h1 의 두께로 성막되는, 복합 실리콘/재료층을 획득하는 것을 가능하게 한다.
발명에 따른 방법은 CVD 에 의한 다이아몬드의 두꺼운 층들을 형성하는 것에 의해, 탈진기 휠 및 팰릿들과 같은, 실리콘에 기초하는 탈진기의 컴포넌트들의 제조를 위해 이롭게 구현될 수 있다.
발명에 따른 방법은 또한, SiO2 의 성막을 위해 열적 산화에 의한 방법이 사용되는 경우, 거의 고체인 SiO2 의 두꺼운 층들을 형성하는 것에 의해, 실리콘에 기초하는 탈진기의 컴포넌트들의 제조를 위해 구현될 수 있다.
발명에 따른 방법은 또한, 다공질 실리콘으로 이루어진 구역들의 구조화와 결합하는 것에 의해, 실리콘에서의 깊이의 큰 두께를 갖는 국부적 층들을 급속히 생성하기 위해서 구현될 수 있다.

Claims (13)

  1. 실리콘 기재 기판 (1) 으로부터 시작하는 마이크로기계 시계 부품을 제조하기 위한 방법으로서,
    a) 결정된 깊이의 상기 실리콘 기재 기판 (1) 의 표면의 적어도 일부 표면 상에 기공들 (2) 을 형성하는 단계; 및
    b) 다이아몬드, 다이아몬드형 탄소 (DLC), 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 세라믹스, 폴리머들 및 이들의 혼합물로부터 선택된 재료로, 상기 기공들 (2) 에서, 상기 기공들 (2) 의 깊이와 적어도 동등한 두께의 상기 재료의 층을 형성하기 위해서, 상기 기공들 (2) 을 완전히 충전하는 단계
    를 순서대로 포함하는, 마이크로기계 시계 부품을 제조하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    단계 b) 후에, 상기 재료로 충전된 상기 기공들 (2) 의 그리고 상기 실리콘 기재 기판 (1) 의 표면 상에 상기 재료의 표면 층 (4) 을 형성하는 단계 c) 를 포함하는, 마이크로기계 시계 부품을 제조하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    단계 a) 는 전기화학적 식각에 의한 방법, ≪ 스테인-식각 ≫ 타입의 방법 및 ≪ MAC-식각 ≫ 타입의 방법을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 방법에 의해 달성되는, 마이크로기계 시계 부품을 제조하기 위한 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    단계 a) 는 ≪ MAC-식각 ≫ 타입의 방법에 의해 달성되는, 마이크로기계 시계 부품을 제조하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    단계 b) 는 박막 성막 및 열적 산화의 방법들을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 방법에 의해 달성되는, 마이크로기계 시계 부품을 제조하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기공들은 100 : 1 이하의 어스팩트 팩터 (깊이 : 직경 비) 를 갖는, 마이크로기계 시계 부품을 제조하기 위한 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기공들 (2) 은 100 ㎛ 초과의 깊이를 갖는, 마이크로기계 시계 부품을 제조하기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 기공들 (2) 은 200 ㎛ 초과의 깊이를 갖는, 마이크로기계 시계 부품을 제조하기 위한 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 기공들 (2) 은 300 ㎛ 초과의 깊이를 갖는, 마이크로기계 시계 부품을 제조하기 위한 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 기재 기판 (1) 은 실리콘 웨이퍼 또는 SOI 웨이퍼 (실리콘 온 절연체) 인, 마이크로기계 시계 부품을 제조하기 위한 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 획득될 수 있는 기계 시계 부품.
  12. 실리콘 기재 기판 (1) 을 포함하는 마이크로기계 시계 부품으로서,
    상기 실리콘 기재 기판 (1) 의 표면의 적어도 일부 표면 상에, 결정된 깊이의 기공들 (2) 을 갖고,
    상기 기공들 (2) 은, 상기 기공들 (2) 의 깊이와 적어도 동등한 두께의, 다이아몬드, 다이아몬드형 탄소 (DLC), 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 세라믹스, 폴리머들, 및 이들의 혼합물들로부터 선택되는 재료의 층으로 완전히 충전되는, 마이크로기계 시계 부품.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 재료로 충전된 상기 기공들 (2) 및 상기 실리콘 기재 기판 (1) 의 표면 상에 상기 재료의 표면 층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로기계 시계 부품.
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