TW201945873A - 用於製造精確剛度之時計熱補償游絲的方法 - Google Patents

Abstract

根據本發明的製造鐘錶游絲的方法包含以下連續步驟：a)在晶圓中形成複數個游絲，b)在游絲上形成熱補償層，c)識別具有剛度在預定範圍內的游絲，d)選擇性地，從晶圓上拆離步驟c)中識別的游絲，e)修改其他游絲，使得該等其他游絲的至少部分游絲的剛度在預定範圍內，f)從晶圓拆離這些其他游絲以及在步驟c)中識別的該等游絲，如果它們在步驟d)中未被拆離。該方法可以減少游絲之間製造的分散。

Description

用於製造精確剛度之時計熱補償游絲的方法

本發明關於一種用於製造時計熱補償游絲的方法，更準確地說，關於用於天平的時計熱補償游絲，以便以之形成時計機械振盪器。

EP 1422436公開了一種時計熱補償游絲，其包含核心和覆蓋核心的層，該層由一種彈性模數的熱係數與核心的材料的熱係數符號相反的材料形成。因此，該層補償了作為溫度函數的核心的彈性模數的變化，並且其厚度可以選擇為足以補償天平的慣性矩的變化，以便頻率為振盪器對溫度不敏感。在典型的例子中，核心是單晶矽，熱補償層是氧化矽。

專利申請案EP 3181938和專利申請案EP 3181939描述了允許製造具有預定剛度的時計游絲的方法。在根據EP 3181938的方法中，a)形成的游絲具有的尺寸大於獲得預定剛度的游絲所需的尺寸，b)確定由此形成的游絲的剛度，c)用以獲得預定剛度的游絲而去除的材料的厚度被計算出，並且d)從步驟a)中形成的游絲中去除所計算的材料厚度。在根據EP 3181939的方法中，a)形成的游絲具有的尺寸小於獲得具有預定剛度的游絲所需的尺寸，b)確定由此形成的游絲的剛度，c)用以獲得預定剛度的游絲而所需材料的缺失厚度被計算出，並且d)修改步驟a)中形成的游絲以補償材料的缺失厚度。在這兩種方法中，可以重複步驟b)，c)和d)的順序，以便改進游絲的尺寸品質。在步驟d)之後，特別是根據上述專利EP 1422436的教導實施熱補償步驟。

根據EP 3181938和EP 3181939的方法使得可以減少由單個晶圓或不同晶圓生產的游絲之間製造的分散。然而，仍然發現來自單個晶圓的游絲之間的剛度差異。在實務中，在每個晶圓上產生數百個游絲。然後將獲得的游絲分類為其剛度的函數。因此可以預測幾十個晶族，例如，六十，每個都包含一定數量的游絲。然後將每個晶族的游絲與對應晶族的天平相匹配 - 天平實際上本身被分類為它們的慣性矩的函數 - 以便每個天平-游絲振盪器具有基本上預定的頻率。然後典型地使用天平所承載的慣性塊來執行頻率的精細調節。特別是由於游絲之間的剛度分散導致的大量晶族使得必須管理大量的部件。

本發明旨在提出一種用於製造時計熱補償游絲的方法，其使得可以減小由單個晶圓製造的游絲之間的剛度的分散。

為此，提供了一種製造時計游絲的方法，該方法包含以下連續步驟：
a) 在晶圓中形成複數個游絲，
b) 在游絲上形成熱補償層，
c) 識別剛度在預定範圍內的游絲，
d) 選擇性地，從晶圓上拆離步驟c)中識別的游絲，
e) 修改其他游絲，使得該等其他游絲的至少部分游絲的剛度在預定範圍內，並且
f) 從晶圓上拆離這些其他游絲以及在步驟c)中識別出的游絲，如果它們在步驟d)中未被拆離。

本發明使得對成品游絲的精細校正成為可能，以減少製造批式內的分散。而且，根據本發明的方法非常適合於工業製造，其中重要的是盡可能長地將游絲保持在晶圓上。

參考圖1，根據本發明的製造時計游絲的方法包含連續的步驟11至23。所述游絲尤其旨在用作天平的彈性返回元件，以便以其形成機械時計振盪器，特別是對於手錶。

在步驟11中，例如，藉由深反應離子刻蝕，(deep reactive ion etching； DRIE)或雷射光刻蝕，獲得晶圓並在其中蝕刻游絲。在較佳實施例中，晶圓由矽基材料製成，例如，矽本身的矽基材料或包含兩個矽層之間的氧化矽層的矽晶絕緣體(silicon-on-insulator type； SOI)的多層材料的矽基材料。在矽晶絕緣體的情況下，在步驟11結束時獲得的游絲可以是多層游絲：矽-二氧化矽-矽。多層游絲也可以藉由以下方式來製造：在晶圓的第一部分中蝕刻每個游絲的第一部分，並且在晶圓的第二部分中每個游絲的第二部分與晶圓的第一部分分離，然後連接晶圓的兩個部分。在文獻WO 2016/128694中可以找到更多關於多層游絲的製造的細節。也可以從SOI晶圓開始，僅在其矽的上層中蝕刻游絲，然後去除矽的下層和氧化矽的中間層，藉由繼續該方法的晶圓然後由上矽層所形成。

一般而言，在本發明中，矽可以是單晶、多晶或非晶。它也可以是摻雜的。然而，可以使用除矽基材料之外的材料，例如玻璃、陶瓷、金屬或金屬合金。

在步驟11結束時，蝕刻的游絲藉由材料橋保持附接到晶圓，如圖2所示，其中，為了簡化起見，在晶圓33中描繪了單個游絲31，該等游絲是藉由材料35的橋連接到晶圓33。

在步驟13中，應用專利申請案EP 3181938或專利申請案EP 3181939中描述的方法，這兩個專利申請案藉由引用結合在本申請案中。因此，確定了代表在(步驟13a)晶圓中蝕刻的游絲的剛度，該確定的結果用於以獲得預定的剛度(步驟13b)的目的去計算要在游絲上添加，去除或修改的材料的厚度，並且計算的材料厚度以獲得預定的剛度(步驟13c)的目的去用於修改游絲，步驟13a，13b和13c可重複一次或多次。

在步驟13a中確定的剛度可以是在晶圓中蝕刻的所有游絲的平均剛度、這些游絲的樣本的平均剛度或這些游絲之一的剛度。對於給定的游絲，在它仍然附接在晶圓上同時，或者不是仍然附接在晶圓上同時，藉由測量天平游絲組件的頻率以及藉由計算推導出游絲的剛度，可以藉由耦接游絲至具有預定慣性力矩的天平來確定剛度。特別是可以在仍然附接至晶圓的所有游絲上實現這種剛度的確定，然後計算其平均值，或者在仍然附接至晶圓的游絲的樣品上的剛度實現確定，然後計算對於其平均值，或者在先前從晶圓上拆離的游絲樣品的剛度實現確定，然後計算其平均值，這些拆離的游絲對於該方法的其餘部分被犧牲。

然後，較佳地同時在附接到晶圓的所有游絲上執行步驟13c。如果在步驟11中，游絲被蝕刻的尺寸大於獲得具有預定剛度的游絲所需的尺寸，則步驟13c可以包含從游絲上的整個或部分外表面以均勻或非均勻的方式去除一定厚度的材料。如果在步驟11中，游絲被蝕刻的尺寸小於獲得具有預定剛度的游絲所需的尺寸，則步驟13c可以包含在游絲上在其全部或部分外表面上以均勻或非均勻的方式添加一定厚度的材料。

步驟13c中的材料去除可以藉由諸如濕法蝕刻、氣相蝕刻、電漿蝕刻或雷射光蝕刻的蝕刻來實現。在矽基游絲的情況下，還可以藉由氧化游絲以便將要去除的矽基材料的厚度轉變為氧化矽(SiO₂ )，並且然後藉由去除氧化矽，來實現材料的去除。為了氧化游絲，可以將它們放入爐中並在氧化氣氛中使它們經受800℃至1200℃的溫度。

步驟13c中材料的添加可以藉由任何添加劑方法進行，例如，熱氧化、電化學生長、物理氣相沉積、化學氣相沉積或原子膜沉積。沉積在游絲上的材料可以與晶圓的材料相同或者可以是不同的。

作為添加或去除材料的替代方案，在步驟13c中，可以修改在步驟13b中計算的材料厚度，而不必改變游絲的尺寸。特別地，例如，藉由結晶、摻雜或擴散間隙或取代原子，可以在游絲的外表面的全部或部分的預定深度上修改結構或組合物。

在根據本發明的方法的步驟15中，在游絲上，較佳在其整個外表面上形成熱補償層，如圖3所示，其中熱補償層由附圖標記37表示。該熱補償層是由具有彈性模數的熱係數與形成在步驟13結束時獲得的游絲的材料的熱係數的符號相反的材料。如果游絲是由矽基材料所製成，則熱補償層典型地是由氧化矽所製成，並且可以藉由熱氧化來獲得，熱氧化是藉由將游絲放置在爐子中以使它們經受800℃至1200℃的溫度和氧化氣氛。熱補償層完全或部分地補償在游絲的彈性模數中的變化作為溫度函數。熱補償層還可以過度補償在游絲的彈性模數中的變化以便還補償在這些期望被使用的游絲所用的天平的慣性力矩中的變化作為溫度函數，從而使游絲的頻率 - 天平振盪器對溫度不敏感。

在步驟17中，確定每個游絲的剛度，同時它們仍附接至晶圓。為了做到這一點，對於每個游絲，游絲以預定的慣性力矩耦合到天平，測量天平游絲組件的頻率，並游絲的剛度藉由計算從該測量而推導出。作為一變型例，可以僅確定一些游絲的剛度並從中推導出其他游絲的剛度。例如，可以確定代表晶圓的各個區域的游絲的剛度，單個區域的游絲具有基本相同的剛度。

在根據本發明的方法的這個階段，游絲的剛度分佈在N個晶族上，例如，在圖4中所示的曲線39類型的色散曲線上，有60個晶族。根據本發明的方法的其餘部分旨在減少晶族的數量。為此，只有一些游絲被認為是順應的，例如，N/2個第一晶族或N/2個最後一晶族，並修改其他游絲以使它們順應。藉由這種方式，晶族的數量可以減半。

因此，在步驟19中，對應於例如，N/2個第一晶族或N/2個最後一晶族的具有預定範圍內的剛度的游絲被認為是順應的並且與晶圓拆離。其他游絲留在晶圓上。

在步驟21中，修改留在晶圓上的游絲，使得其剛度在預定範圍內。取決於預定範圍的選擇，對於存在於晶圓上的所有游絲，較佳地同時增加或減少熱補償層的厚度，以分別增加或減小所述游絲的剛度。可以預先藉由計算確定要添加到熱補償層或從熱補償層移除的厚度的值。申請人特別注意到，對於由具有厚度等於矽核心厚度(寬度)的10%之矽核心和氧化矽外部熱補償層形成的游絲，僅5%的熱補償層的厚度修改允許晶族數量N減半，同時滿足瑞士官方天文台測試研究所(Contrôle Officiel Suisse des Chronometres；COSC)關於運行作為溫度函數的要求，即最大值± 0.6秒/天/度。晶族數量的大幅減少有助於管理部件庫存並降低成本。

圖4示出如果被認為是順應的預定硬度範圍對應於N/2個第一晶族，則步驟21中的游絲的修改導致向仍在晶圓上的游絲的分散曲線的左側偏移(曲線41)，較佳地在等於預定範圍的長度的距離上，以便這些游絲中的每一個可以屬於N/2個第一晶族中的一個。相反地，如果被認為是順應的預定硬度範圍對應於N/2個最後一晶族，則步驟21中的游絲的修改導致向保留在晶圓上的游絲的分散曲線的右側偏移(曲線43)，較佳地，在等於預定範圍的長度的距離上，以便這些游絲中的每一個可以屬於N/2個最後一晶族中的一個。圖4中所示的兩種配置(曲線41和43)是兩種最佳配置。當然，中間配置是可能的，導致從晶圓上拆離的游絲和仍然附接的游絲的總晶族數，其大於N/2但小於N。

為了在步驟21中增加熱補償層的厚度，在包含由氧化矽的熱補償層覆蓋的矽基材料核心的游絲的情況下，可以如所描述的那樣熱氧化游絲。以上與步驟13c和步驟15有關。

為了在步驟21中減小熱補償層的厚度，可以實施蝕刻技術、例如氣相蝕刻、電漿蝕刻、濕法蝕刻(使用例如氫氟酸)或雷射光蝕刻。

作為向熱補償層添加材料或從熱補償層移除材料的替代方案，在步驟21中，可以在預定深度上修改熱補償層的結構或組成，而不必由此改變厚度它們。結構或組合物的這種改變可以包含例如：藉由注入、擴散或其他處理摻雜熱補償層。

在變型中，代替在步驟21中增加熱補償層的厚度，可以在該層上沉積與熱補償層的材料不同的材料。沉積尤其可以是物理氣相沉積、化學氣相沉積或原子薄膜沉積。與熱補償層不同的材料可以是金屬、氧化物、氮化物或其他材料。

在最後的步驟23中，留下在晶圓中留下的游絲被拆離。然後根據他們的晶族對所有游絲進行分類，以便能夠與天平匹配。

在本發明的一個變型中，在步驟19中，被識別為順應的游絲被留在晶圓上但是受到保護，例如，使用掩模，從步驟21中實施的處理被保護。因此，在步驟21中，僅修改被認為是不順應的游絲，並且在最後的步驟23中，所有游絲都從晶圓拆離。

11‧‧‧步驟

13‧‧‧步驟

13a‧‧‧步驟

13b‧‧‧步驟

13c‧‧‧步驟

15‧‧‧步驟

17‧‧‧步驟

19‧‧‧步驟

21‧‧‧步驟

23‧‧‧步驟

31‧‧‧游絲

33‧‧‧晶圓

35‧‧‧材料

37‧‧‧熱補償層

39‧‧‧曲線

41‧‧‧曲線

43‧‧‧曲線

藉由閱讀參考圖式給出的以下詳細描述，本發明的其他特徵和優點將變得清楚，其中：

- 圖1是根據本發明的方法的圖，

- 圖2是在根據本發明的方法的第一步驟中在晶圓中形成的晶圓和游絲的透視圖，

- 圖3是承受在根據本發明的方法的另一步驟中獲得的熱補償層的游絲轉彎的橫截面圖，

- 圖4是顯示在圖3的步驟中獲得的游絲中以剛度為形式的分散的圖。

Claims (12)

1. 一種用於製造複數個時計游絲的方法，包含以下連續步驟： a)在晶圓中形成複數個游絲， b)在該等游絲上形成熱補償層， c)識別具有剛度在預定範圍內的該等游絲， d)選擇性地，從該晶圓拆離步驟c)中識別的該等游絲， e)修改其他游絲，使該等其他游絲的至少部分游絲的剛度在該預定範圍內， f)從該晶圓拆離該等其他游絲以及在步驟c)中識別的該等游絲，如果它們在步驟d)中未被拆離。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中步驟e)被同時進行在該等其他游絲上。
3. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中步驟e)包含修改該熱補償層。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其中步驟e)包含修改該熱補償層的厚度。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之方法，其中步驟e)包含增加該熱補償層的該厚度。
6. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之方法，其中步驟e)包含減小該熱補償層的該厚度。
7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之方法，其中在步驟a)和b)之間，包含以下步驟： (i)確定代表該晶圓中形成的該等游絲的剛度， (ii)從步驟(i)的結果，修改該等游絲以獲得預定的剛度。
8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中在步驟a)和步驟b)之間，步驟(i)和步驟(ii)的順序被重複一次或複數次。
9. 如申請專利範圍第1至8項中任一項之方法，其中步驟a)包含一個或複數個蝕刻步驟。
10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項之方法，其中步驟a)中形成的該等游絲是由矽所形成或包含至少一個矽層。
11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該熱補償層是由氧化矽所形成。
12. 如申請專利範圍第1至9項中任一項之方法，其中在步驟a)中形成的該等游絲是由玻璃、陶瓷、金屬或金屬合金所形成。