TW201944182A - 用於生產矽基時計彈簧的方法 - Google Patents

Abstract

本發明之用於生產時計彈簧的方法包含下列步驟：基於矽來生產一零件，其具有時計彈簧之所欲的形狀；熱氧化該零件；將該零件脫氧；在還原式大氣中將該零件退火；在該零件上形成矽氧化物層。

Description

用於生產矽基時計彈簧的方法

本發明關於一種用於生產矽基時計彈簧的方法，特別是關於腕錶或袋錶。

由於矽的優良性質(特別是其低密度、對腐蝕的高位準抵抗、非磁性的本質、和適於以微製造技術來加工)，所以在機械製錶領域中，矽是受到高評價的材料。因此，矽被用於生產游絲(hairspring)、平衡擺輪(balance)、具有可撓引導件的振盪器、錨形擒縱器(escapement anchor)、和擒縱輪(escape wheel)。
但是矽有低機械強度的缺點，此缺點在通常用於加工矽的蝕刻方法(亦即深反應離子蝕刻[DRIE])時顯得更糟。在該蝕刻方法中，會在零件的側腹(側面)上留下銳利的邊緣、和產生平坦度方面呈小波浪(扇貝殼)狀的瑕疵及在結晶單元包內產生瑕疵。在將組件安裝在機芯的期間處理組件，或如果錶遭受衝擊時，此低的機械強度會造成問題。事實上，該等組件容易破裂。為了解決此問題，通常以比自然生成之氧化物的厚度更厚很多的矽氧化物被覆層來強化時計的矽組件，如同專利申請案WO 2007-000271中所描述。此被覆層通常留在最後組件上，但是依據專利申請案EP2,277,822的教示，可移除該被覆層，而不會實質地影響機械強度。
在彈簧(游絲)的情況中，機械強度的位準也必須使得組件在作業期間可彈性變形而不會破裂，以實施其功能。關於意欲被裝配至平衡擺輪的游絲、或沒有樞軸之振盪器的可撓引導件，操作應力是相對低的位準，最多是數百MPa的等級，以致於矽氧化物層所提供的機械強度理論上是足夠的。但是考慮操作期間的振盪頻率(4 Hz、10 Hz、或甚至50 Hz)，其週期數高，此可能造成由於疲勞而破裂的風險。關於其它彈簧，例如主要彈簧(特別是發條盒彈簧)、或一些音錘或搖動彈簧，在其操作期間所受的應力大很多(有數GPa等級)，其和選擇矽(甚至當有矽氧化物覆蓋時)做為生產材料不匹配，即使當以矽氧化物來覆蓋也不匹配。這就是為什麼選擇或建議具有高彈性極限之材料來製造此類型彈簧的理由。此材料例如鋼、鎳磷合金、尼瓦弗萊克斯發條合金(Nivaflex®：以鈷、鎳、鎘、和鐵為主且具有約3.7 MPa彈性極限的合金)、金屬玻璃(見
CH 698,962和CH 704,391專利)、或複合金屬/鑽石或類金屬(matelloid)/鑽石材料(見本案申請人的CH 706,020專利)。
CH 702,431專利申請案中描述在矽上形成矽氧化物層的取代性方案。其包含在還原性大氣中對組件實施退火，以將邊緣倒圓角，且使得由深反應離子蝕刻所產生之側腹在平坦度方面的瑕疵變小。此方法不適於意欲在操作期間吸收高位準應力的彈簧，且無法提供最佳的疲勞強度。

本發明的目標在於實質地增加矽基時計彈簧在操作期間能夠承受之最大位準的應力，和/或增加此時計彈簧的疲勞強度。
為了此目的，依據本發明的第一實施例，提出一種用於生產時計彈簧的方法。該方法包含下列步驟：
a) 基於矽來生產一零件，該零件具有該時計彈簧之所欲的形狀，或該零件所包括的一部份具有該時計彈簧之該所欲的形狀；
b) 熱氧化該零件；
c) 將該零件脫氧；
d) 在還原式大氣中將該零件退火；
e) 在該零件上形成矽氧化物層。
依據本發明的第二實施例，提出一種用於生產時計彈簧的方法。該方法包含下列步驟：
a) 基於矽來生產一零件，該零件具有該時計彈簧之所欲的形狀，或該零件所包括的一部份具有該時計彈簧之該所欲的形狀；
b) 在還原式大氣中將該零件退火；
c) 熱氧化該零件；
d) 將該零件脫氧；
e) 在該零件上形成矽氧化物層。
在參考附圖閱讀下述實施方式後，可更清楚本發明的其他特徵和優點。

參考圖1，用於生產本發明之矽基時計彈簧之方法的特別實施例包含步驟E1至E5。
第一步驟E1包括在矽晶圓內蝕刻出一零件，較佳是藉由深反應離子蝕刻(DRIE)。該零件具有時計彈簧的所欲形狀和實質所欲尺寸，或該零件的一部份具有時計彈簧的所欲形狀和實質所欲尺寸。
矽可為單晶、多晶或非結晶。多晶矽可較佳地獲得所有物理特徵的等向性。再者，本發明所用的矽可以是、也可以不是摻雜的。取代特定的矽，該零件也可以藉由在絕緣層上矽(SOI)基板內蝕刻而由複合材料製成。該複合材料包括被一或多個薄中間層的矽氧化物所分開的複數厚層的矽。
該方法的第二步驟E2包含熱氧化該零件，典型地是在600℃和1300℃之間的溫度，較佳是在800℃和1200℃之間，以致於以矽氧化物(SiO₂ )層覆蓋該零件。此矽氧化物層的厚度典型地是在0.5微米和數微米之間，較佳是在0.5微米和5微米之間，更佳是在1微米和5微米之間，例如在1微米和3微米之間。藉由消耗矽來生長形成此矽氧化物層，此造成矽和矽氧化物之間的介面後退，並減少矽的表面瑕疵。
在第三步驟E3中，移除矽氧化物層，例如藉由濕式蝕刻、汽相(vapor phase)蝕刻、或乾式蝕刻。
在第四步驟E4中，對該零件施加退火處理。退火處理被描述在專利申請案CH 702,431中，其內容併入本申請案內做參考。在還原式大氣內實施此退火(熱退火)處理，較佳是在嚴格地大於50 Torr的壓力，或甚至在100 Torr以上的壓力，和小於或等於大氣壓力(760 Torr)，但是其可為大氣壓力的等級，且較佳是在800℃和1300℃之間的溫度。退火處理可延續數分鐘至數小時。還原性大氣可主要或完全由氫形成。其也可包括氬、氮、或任何其它惰性氣體。此退火處理造成留在表面之凸部的矽原子遷移而集中在凹部，且因此將邊緣倒成圓角，並減少蝕刻製程所留在側腹上的小波浪和其它瑕疵。
在該方法的第五步驟E5中，矽氧化物(SiO₂ )層被形成在零件上，使得能夠增加其機械強度。可用和第二步驟E2相同方式的熱氧化或藉由沉積(特別是化學或物理汽相蒸鍍法[CVD,PVD])來形成該矽氧化物層。其較佳是被形成在零件的全部或幾乎全部表面上。其厚度典型地在0.5微米和數微米之間，較佳是在0.5和5微米之間，更佳是在1和5微米之間，例如在1和3微米之間。
該零件典型地形成在單一矽晶圓內所生產的一批零件的一部份。在該方法的最後步驟中，該批零件中的一零件或其他零件可被從晶圓分離。本發明之加工完成的時計彈簧可為被分離的零件本身或該零件的一部份。
出乎意料地發現，氧化-脫氧(步驟E2和E3)、退火(步驟E4)、和形成矽氧化物層(步驟E5)彼此配合得很好，以致於所獲得的整體效果非常明顯地超越組合這些步驟所能預期的效果。
圖2顯示數十個試驗零件在不同情況中所量測在撓曲下的明顯破裂應力。亦即：
情況1：只藉由深反應離子蝕刻(只有步驟E1)生產的試驗零件；
情況2：藉由深反應離子蝕刻生產的試驗零件，且以矽氧化物層被覆約3微米的厚度(只有步驟E1和E5)，這些試驗零件被由和情況1相同的矽晶圓所生產；
情況3：藉由本發明的方法 (步驟E1至E5)生產的試驗零件，步驟E5中所形成的矽氧化物層具有約3微米的厚度，這些試驗零件被由和情況1和2相同的矽晶圓所生產。
以本發明之方法所獲得之在撓曲下的這些明顯破裂應力非常高。其平均為5 GPa的等級，甚至可達接近6 GPa的值，且最小值大於3 GPa。既然矽是脆性材料，則其明顯的破裂應力或破裂極限和彈性極限合致。因此可生產在通常的操作期間能施加高強度力的矽彈簧，且此矽彈簧和由最高性能合金或由金屬玻璃所生產的彈簧為相同方式。
做為範例，圖3例示主要彈簧，更精確地說是發條盒彈簧，其意欲在被捲繞時儲存機械能，且逐漸地釋放該機械能，以供給動力給運轉中的系列元件或其它的時計機構用於操作。本發明之方法所生產的此主要彈簧將具有優良的能量儲存能力，這取決於彈性極限之平方和彈性模數的比值(σ² /E)。圖3所示的主要彈簧在其位於發條盒外側的鬆弛狀態，該主要彈簧可包括完成關於儲存和釋放能量之額外功能的部份，例如CH 705,368專利案中所描述做為凸部或夾持部的部份。
圖4例示音錘彈簧，其末端意欲作用在由錘所支承的銷上，以致動後者，以便重置計時計數器。在此音錘彈簧或其它彈簧的情況中，相對於更習知之材料(例如鋼或鎳-磷)所生產的彈簧在通常操作期間所施加的相同力，本發明之方法所獲得的在撓曲下非常高之明顯破裂應力可用於縮減彈簧的尺寸。
應注意的是，本發明的方法也可被用於增加時計彈簧的疲勞強度，其係指彈簧施加中等強度的力但被高頻率地使用，例如裝配至平衡擺輪的游絲、或沒有樞軸之振盪器的可撓引導件，例如專利申請案WO 2017-055983中所描述之振盪器的具有分離十字帶的可撓引導件。
事實上，由於所涉及物理現象有多種，所以本發明之方法所實施的處理有優良的改善。氧化-脫氧移除了最受表面瑕疵影響的矽厚度。退火重新組構材料內的原子。矽氧化物層的形成帶來壓縮應力給矽的表面。結果是所獲得的時計彈簧具有卓越的品質。可大幅地減少或甚至消除可能產生初期破裂的碎屑和其它瑕疵。改善了表面的粗糙度。減少或甚至消除由深反應離子蝕刻在零件的側腹所產生的小波浪和其它表面瑕疵。邊緣被導成圓角，此減少了應力集中。
本發明的方法可被應用於上述實施例以外的時計彈簧，例如搖動彈簧、槓桿彈簧、爪彈簧、或跳簧(jumper spring)。
在本發明的另一實施例中，在步驟E2(熱氧化)之前實施步驟E4(退火)。

E1‧‧‧蝕刻

E2‧‧‧氧化

E3‧‧‧脫氧

E4‧‧‧退火

E5‧‧‧二氧化矽層

圖1是顯示本發明之一特定實施例的生產方法的不同步驟之示意圖。

圖2是藉由點和區塊繪製在三種不同情況中所獲得之明顯破裂應力值的圖。

圖3是本發明之方法所生產的發條盒彈簧的上視圖，該發條盒彈簧被顯示在其被導入發條盒之前的鬆弛狀態。

圖4是本發明之方法所生產的音錘彈簧的上視圖。

Claims (14)

1. 一種用於生產時計彈簧的方法，包含下列步驟： a) 基於矽來生產一零件，該零件具有該時計彈簧之所欲的形狀，或該零件所包括的一部份具有該時計彈簧之該所欲的形狀； b) 熱氧化該零件； c) 將該零件脫氧； d) 在還原式大氣中將該零件退火； e) 在該零件上形成矽氧化物層。
2. 一種用於生產時計彈簧的方法，包含下列步驟： a) 基於矽來生產一零件，該零件具有該時計彈簧之所欲的形狀，或該零件所包括的一部份具有該時計彈簧之該所欲的形狀； b) 在還原式大氣中將該零件退火； c) 熱氧化該零件； d) 將該零件脫氧； e) 在該零件上形成矽氧化物層。
3. 如申請專利範圍第1或2項之用於生產時計彈簧的方法，其中該步驟a)包括蝕刻作業，較佳是深反應離子蝕刻作業。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之用於生產時計彈簧的方法，其中在600℃和1300℃之間的溫度，較佳是在800℃和1200℃之間的溫度實施該熱氧化步驟。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之用於生產時計彈簧的方法，其中該脫氧步驟包括蝕刻作業，較佳是濕式蝕刻作業、汽相(vapor phase)蝕刻作業、或乾式蝕刻作業。
6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之用於生產時計彈簧的方法，其中在嚴格地大於50 Torr的壓力實施該退火步驟。
7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之用於生產時計彈簧的方法，其中在嚴格地大於100 Torr的壓力實施該退火步驟。
8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之用於生產時計彈簧的方法，其中在小於或等於大氣壓力的壓力實施該退火步驟。
9. 如申請專利範圍第1至8項中任一項之用於生產時計彈簧的方法，其中在800℃和1300℃之間的溫度實施該退火步驟。
10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項之用於生產時計彈簧的方法，其中該還原性大氣包括氫。
11. 如申請專利範圍第10項之用於生產時計彈簧的方法，其中該還原性大氣也包括惰性氣體，例如氬。
12. 如申請專利範圍第1至11項中任一項之用於生產時計彈簧的方法，其中藉由熱氧化來實施該步驟e)。
13. 如申請專利範圍第1至12項中任一項之用於生產時計彈簧的方法，其中該矽是單晶或多晶。
14. 如申請專利範圍第1至13項中任一項之用於生產時計彈簧的方法，其中該時計彈簧是主要彈簧，較佳是發條盒彈簧、音錘彈簧、槓桿彈簧、搖動彈簧、爪彈簧、跳簧、游絲、或可撓引導件。