TW202035890A

TW202035890A - 矽游絲的製造方法

Info

Publication number: TW202035890A
Application number: TW108110059A
Authority: TW
Inventors: 皮爾卡森; 馬可維拉多
Original assignee: 瑞士商尼瓦克斯法爾公司
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2020-10-01
Also published as: TWI727285B

Abstract

本發明係關於一種具有最終剛性之游絲(hairspring)的方法，其包含以下步驟：製造游絲成過厚尺寸，測定所形成之游絲的起初剛性，以便於移除一體積的材料以獲得具有該最終剛性所需之尺寸的該游絲。

Description

矽游絲的製造方法

本發明係關於一種矽游絲(silicon hairspring)之製造方法，且更特別地關於此一充作補償(compensating)游絲之游絲，該補償游絲與具有已知慣性之擺輪(balance)合作以形成具有預定頻率之共振器。

在藉由引用被併入本申請案之EP 1 422 436中說明如何形成補償游絲，其包含經二氧化矽塗覆之矽核心且與具有已知慣性之擺輪合作，以便於熱補償該共振器之組合件。製造此種補償游絲會提供很多優點，但也有缺點。尤其，在一個矽晶圓中蝕刻數個游絲的步驟在同一晶圓之數個游絲之間產生明顯的幾何差異性(dispersion)，且在於不同時間蝕刻之二個晶圓的數個游絲之間產生更大的差異性。附帶一提，以相同蝕刻圖案蝕刻之每一游絲的剛性是產生明顯製造差異性之變數。

本發明之目標是要藉由提供一種游絲之製造方法以克服全部或一些上述缺點，該游絲之尺寸足夠精確以致不須更改。為此目的，本發明係關於一種具有已知最終剛性之矽游絲的製造方法，其包含以下步驟： a)提供SOI晶圓，其依序地包含矽“處置”層、氧化矽黏合層、及矽“裝置”層； b)在該晶圓之表面上生長氧化矽層； c)在該“裝置”層上進行光蝕刻法以形成阻罩； d)經由先前所形成之該阻罩，蝕刻該氧化矽層； e)進行深度反應性離子蝕刻，以形成該矽游絲， f)在該矽之表面上生長氧化矽層，該氧化物層充作該等組件的防護； g)蝕刻該“處置”層以暴露出該黏合層，然後釋出該游絲，該游絲藉由至少一個連接部件被固持在該晶圓上； h)測定該游絲之該起初剛性且計算待獲得之線圈之尺寸，以便於獲得具有最終剛性之該游絲； i)氧化所形成之游絲以將該厚度之待移除之以矽為底質的材料轉變成二氧化矽，且因此形成經氧化的游絲； j)由該經氧化的游絲移除該氧化物，如此得以獲得具有該最終剛性所需之整體尺寸的以矽為底質的游絲； k)再氧化該游絲以獲得具有最終剛性之游絲且調節該游絲之熱效能。如此所獲得的補償游絲，其根據本發明有利地包含以矽為底質之核心及以氧化矽為底質之塗層。根據本發明有利地，該補償游絲因此具有極高尺寸精確度，且附帶地對該共振器組合件具有極良好熱補償。因此據了解：本發明方法得以保證該游絲具有極高尺寸準確度，以及附帶地保證其根據溫度的剛性行為，該剛性行為將補償該游絲與擺輪所形成之組合件的偏移。根據本發明之其他有利的變化型： -步驟e)係利用化學蝕刻進行； -步驟g)包含下列各階段： g1)進行光蝕刻法及乾蝕刻以暴露該“處置”層之矽； g2)以氫氧化鉀溶液、氫氧化四甲銨溶液或藉由DRIE蝕刻法來蝕刻該“處置”層； -在步驟e)期間，在同一個晶圓中使數個游絲形成至尺寸大於所需之尺寸，以便於獲得具有一種起初剛性之數個游絲或具有數種起初剛性之數個游絲； -步驟h)包含以下階段： h1)測量包含在步驟e)之期間所形成的該游絲且該游絲與具有已知慣性之擺輪偶合之組合件的頻率，且由所測量之頻率推斷所形成之游絲的該起初剛性； h2)由該游絲之該起初剛性的測定，計算待獲得之該線圈尺寸，以便於獲得具有最終剛性之該游絲。 -在步驟k)之後，該方法進一步包含以下步驟： l)在具有最終剛性之該游絲的至少一部分上，將薄層形成在該游絲之外表面的一部分上，如此得以形成對氣候變化且對靜電本質之干擾較不敏感的游絲。

本發明係關於一種在圖2a中可見之補償游絲1，也關於彼之製造方法，該方法得以保證該游絲具有極高尺寸準確度且附帶地保證該游絲具有更精確的剛性。根據本發明，該補償游絲1係從一材料(其隨意地以熱補償層塗覆)形成，且意圖與具有已知慣性之擺輪合作。使用材料(例如以矽、玻璃、或陶瓷為底質)以製造游絲所提供之優點是經由現行之蝕刻方法製得的游絲具準確性以及具有極良好機械性質和化學性質，且同時對磁場不敏感或不是很敏感。然而，該游絲必須被塗覆或經表面改質，方能形成補償游絲。充作補償游絲之該以矽為底質之材料可優先地是單晶矽而不管其結晶定向；摻雜之單晶矽而不管其結晶定向；非晶矽、多孔矽、多晶矽、氮化矽、碳化矽、石英而不管其結晶定向；或氧化矽。當然，可以設想其他材料諸如玻璃、陶瓷、金屬陶瓷、金屬或金屬合金。為簡化之故，以下說明將集中於以矽為底質之材料。每種類型的材料可經表面改質或塗覆一層，以便熱補償如上述之該基底材料。因此，本發明係關於一種在圖3中可見之矽游絲1的製造方法。在關注易讀性和理解性時，本發明方法之步驟代表沿著圖1之晶圓10中所形成之單一矽游絲1的線A的單一中央橫截面，將該游絲1之線圈3的數目減低以利說明該等圖。根據本發明，該方法如圖3中闡明的，包含第一步驟a)，其在於提供SOI晶圓10，亦即係由藉由氧化矽層13彼此黏合之二個矽層11和12所構成。此三層分別具有一或多個極精確的作用。上矽層11，稱為“裝置”層，係由一片單晶矽(其主要定向是可變化的)所形成，具有之厚度將會決定待製造之組件的最終厚度，一般在製錶業中是在100至200 μm之間。下矽層12，稱為“處置”層，基本上作為機械撐體，為要能在充分剛硬之組合件上進行方法(不能保證“裝置”層的厚度減低)。該下矽層12也是從一片單晶矽所形成，通常具有與該“裝置”層類似之定向。該氧化物層13能密切黏合該二個矽層11和12。再者，彼在後續操作期間也充做停止層。接著，步驟b)在於藉由使該(等)晶圓10暴露於高溫下之氧化環境以使在該(等)晶圓10之表面上生長出氧化矽層。該層依據待建構之該“裝置”的厚度而改變。彼一般在1至4 μm之間。該方法之步驟c)將能在例如正型光阻中界定後續在該矽晶圓10中所希望產生之該等圖形。此步驟包含以下操作： -該光阻係例如藉由旋轉塗覆而沉積成厚度在1至2 μm之間的極薄層， -一旦乾燥後，使具有光蝕刻性質之此光阻透過光蝕刻遮罩(以一層鉻覆蓋之透明片，其本身呈現所需之圖案)暴露於光源； -在正型光阻的精確事例中，然後利用溶劑移除該光阻之暴露區，然後揭露該氧化物層。在此事例中，仍被光阻覆蓋之區域界定出在該矽之深度反應性離子蝕刻(DRIE)的後續操作中未受侵襲之區域。在步驟d)期間，接著利用該暴露的區域或相反地以光阻覆蓋之區域。第一蝕刻程序使在先前步驟中界定於該光阻中的該等圖案能轉移到預先生長之氧化矽。還有就該製造程序之再現性觀點，該氧化矽係藉由方向性乾電漿蝕刻而結構化以使充作此操作之遮罩的光阻的各側邊的品質，得以重現。一旦該氧化矽在該光阻之開放區中被蝕刻，該上層11之矽表面便被暴露，且即可用於DRIE蝕刻。依據彼是否需要在該DRIE蝕刻期間使用該光阻作為遮罩而決定保留或不保留該光阻。未受該氧化矽所保護之暴露的矽在垂直於該晶圓表面之方向上被蝕刻(Bosch® DRIE異向性蝕刻)。首先在該光阻中而後在該氧化矽中形成之圖案被“反映”(projected)至該“裝置”層11的厚度。當該蝕刻進行到將該二個矽層11和12黏合之氧化矽層13時，該蝕刻停止。尤其，就像在該Bosch®方法期間充作遮罩且阻止該蝕刻本身的氧化矽，具有相同本質之包埋的氧化物層13也阻止該蝕刻。然後該矽“裝置”層11的整個厚度藉由表現待製造之組件之所界定的圖案而被結構化，該組件現藉由此DRIE蝕刻而暴露出，亦即游絲1包含線圈3和筒夾2。該等組件藉由該包埋之氧化矽層13黏合至該“處置”層12，使得該組件仍堅固地黏附於該“處置”層12。當然，該方法在步驟e)期間不能限於DRIE蝕刻。舉例而言，步驟e)也可同樣地藉由在相同之以矽為底質之材料中的化學蝕刻而獲得。在步驟e)期間，數個游絲可在同一個晶圓中形成至尺寸大於所需尺寸，以便獲得具有一種起初剛性之數個游絲或具有數種起初剛性之數個游絲。在步驟e)之後，在順序e1)期間，然後將由Bosch®程序所得之殘餘的鈍化光阻移除，且將在該DRIE蝕刻中已充作遮罩之該氧化物在以氫氟酸為底質之水溶液中移除。在步驟f)期間，氧化矽層再次在該矽表面 (在該“裝置”層11和該“處置”層12周圍)上生長，此氧化物層將在藉由從該“處置”層12分開組件以用來使該等組件釋放的操作期間保護該等組件。在該晶圓10背面上(因此是在該“處置”層12上)進行第二光蝕刻操作，其類似於在步驟c)期間進行的第一個光蝕刻。為完成此，該晶圓10被翻轉，將該光阻沉積在其上，然後透過遮罩暴露光阻。然後利用溶劑移除光阻之暴露區，然後暴露出先前所形成之該氧化物層，且然後經由乾蝕刻而使之結構化。在後續的步驟g)中，該暴露之“處置”層12的完整蝕刻係利用以氫氧化鉀(KOH)、氫氧化四甲銨為底質之水溶液或藉由DRIE蝕刻法進行。這些溶液習知是為容易蝕刻矽，同時不損傷該氧化矽。在用於完整釋放該等組件之步驟g1)期間，該等不同的氧化矽層然後利用以水力酸(hydraulic acid)為底質之溶液的濕式蝕刻而蝕刻。有利地，所形成之游絲1經由至少一個連接部件保持在框架中，該框架和該連接部件係在該DRIE蝕刻步驟e)期間與該等游絲同時形成。該方法包含意圖測定該游絲之起初剛性的步驟h)。此一步驟h)可直接在仍連接至該晶圓10之該游絲上或在該組合件上或在仍連接至該晶圓10之該等游絲的樣本上或在脫離該晶圓之游絲上進行。優先地，根據本發明，步驟h)包含第一階段h1)，其意圖測量包含與具有已知慣性之擺輪偶合之該游絲的組合件的頻率，然後由此頻率推論該游絲之起初剛性。該擺輪-游絲組合件之振動頻率使得以測定所試驗之游絲的角剛性，且因此，使得以測定該游絲1之線圈3的橫截面的精確尺寸(主要是其厚度，該高度是已知的，因為其是該基底基板之該“裝置”層的厚度)。此測量階段尤其可以是動態的且根據EP2 423 764文件之教示(其藉由引用被併入本文中)進行。然而，可選擇地，也可以使用靜態方法，其係根據EP 2 423 764之教示進行，以測定該游絲之剛性。當然，如以上所說明的，因為本發明方法不限於每個晶圓之單一游絲的蝕刻，步驟h)也可包括測量在同一個晶圓上所形成之代表性樣本或所有游絲之平均起初剛性。在第二階段h2)之期間，從該游絲之起初剛性的測定計算待獲得之該線圈尺寸，以便獲得用於獲得具有所需剛性(或最終剛性)之游絲所需之總尺寸。該方法後接續一系列步驟以意圖從該游絲移除過多材料至為要獲得具有最終剛性之游絲所需的尺寸。步驟i)在於氧化該游絲，以便將該厚度之待移除之以矽為底質的材料轉變成二氧化矽且因此形成經氧化的游絲。此階段可以是例如藉由熱氧化獲得。此熱氧化可以是例如在800與1200℃之間的氧化環境下，使用水蒸氣或氧氣進行，使得在該游絲上能形成氧化矽。在此步驟期間，基於氧化矽均勻生長的事實，氧化速率和所得厚度完美地藉由此技藝之技術人員所控制，使能保證該氧化層之均勻性。步驟i)後接續步驟j)，該步驟j)意圖從該游絲移除該氧化物，使能獲得具有可用於獲得該最終剛性所需之總尺寸的以矽為底質的游絲。此步驟係藉由化學蝕刻獲得。此化學蝕刻可以例如利用一種能將該氧化矽從該游絲移除之以氫氟酸為底質的溶液進行。步驟i)和j)使該線圈3之尺寸能成為在該計算步驟h2)期間所測定之中間值。最後，步驟k)在於將該游絲再次氧化，使該游絲被二氧化矽層塗覆，以便於形成經熱補償之游絲1。此步驟可以例如藉由熱氧化獲得。此熱氧化可以例如在800與1200℃之間的溫度的氧化環境下使用水蒸氣或氧氣進行，使能在該游絲上形成氧化矽。如此獲得如圖2a和2b中闡明的補償游絲1，其有利地根據本發明，包含以矽為底質之核心30和以氧化矽為底質之塗層31。此第二次氧化使最終之游絲1的機械效能(剛性)和熱效能(溫度補償)皆得以調節。在此階段，該線圈3之尺寸對應於所需之角剛性規格，且所生長之氧化矽層使得以依據擺輪/游絲組合件的尺寸改變與溫度之函數來調整剛性。有利地根據本發明，在沒有另外複雜性下，因此可能製造特別包含下列之游絲1： -一或多個線圈3，其橫截面比藉由單次蝕刻所得之橫截面更準確； -沿著該線圈之厚度及/或間距的變化； -一個單件(one-piece)筒夾2； -一個具有格羅斯曼(Grossmann)曲線型之內線圈； -一個單件螺樁-釘札(stud-pinning)連接部件； -一個單件外固定元件； -與其餘線圈相比為過厚之一部分的外線圈。該方法也可包含金屬化步驟l)。尤其，在該游絲表面上明顯的氧化矽層的生長不僅是提供優點。此層捕捉且固定電荷，這將導致此層與該游絲周圍的靜電結合現象或該等線圈彼此的靜電結合現象。此層也具有親水性質，且已知：水分之吸收使該游絲剛性變動且因此使該錶運轉。因此，一個金屬薄層，諸如鉻、鈦、鉭或其合金，同時使該游絲1之表面能防水並傳導，消除上述效應。此層可根據EP 2 920 653文件的教導獲得，該等教導藉由引用被併入本申請案中。選擇此薄層之厚度，使之盡可能薄，卻不致破壞以上所調整之效能。適合之熱處理保證該薄層之良好黏合。最後，該方法也可包含步驟l)，其意圖將該等游絲1由該晶圓10分開，且將彼等與具有已知慣性之擺輪組合，以便形成隨意經熱補償的擺輪-游絲型共振器(亦即其頻率隨意地對該溫度變化是敏感的)。當然，本發明不限於所說明之實例，但可能有對此技藝之技術人員會是明顯的不同替代形式。尤其，如以上說明的，該擺輪即使具有預定之構造慣性，也可以包含可移動慣性塊體，該塊體在銷售該計時器之前或之後可能提供設定參數。

1:游絲 2:筒夾 3:線圈 10:晶圓 11:裝置層 12:處置層 30:核心 31:塗層

其他特點和優點將從以下提供之其說明，藉由完全非限制性指示，並引用附圖變為清楚明顯。 -圖1闡明具有多個根據本發明之方法所得之游絲的晶圓； -圖2a和2b分別闡明根據本發明之方法所得之游絲的透視圖和橫截面視圖； -圖3闡明根據本發明之方法的不同步驟。

1:游絲

10:晶圓

Claims

一種游絲之製造方法，其包含以下步驟： a)提供SOI晶圓(10)，其依序地包含矽“裝置”層(11)、氧化矽黏合層(13)、及矽“處置”層(12)； b)在該晶圓(10)之表面上生長氧化矽層； c)在該“裝置”層(11)上進行光蝕刻法以形成阻罩； d)經由先前所形成之該阻罩，蝕刻該氧化矽層； e)進行深度反應性離子蝕刻，以形成該矽游絲(1)， f)在該矽之表面上生長氧化矽層，該氧化物層充作所形成之游絲(1)的防護； g)蝕刻該“處置”層(12)以暴露出該黏合層，然後釋出該游絲(1)，該游絲(1)藉由至少一個連接部件被固持在該晶圓(10)上； h)測定該游絲(1)之該起初剛性且計算線圈(3)的尺寸，以便於獲得具有最終剛性之該游絲； i)氧化所形成之游絲以將該厚度之待移除之以矽為底質的材料轉變成二氧化矽，且因此形成經氧化的游絲； j)由該經氧化的游絲移除該氧化物，如此得以獲得具有該最終剛性所需之整體尺寸的以矽為底質的游絲； k)再氧化該游絲以獲得具有最終剛性之游絲且調節該游絲之熱效能。
如申請專利範圍第1項之製造方法，其中步驟e)係利用化學蝕刻進行。
如申請專利範圍第1項之製造方法，其中步驟g)包含以下階段： g1)進行光蝕刻法及蝕刻以暴露出該“處置”層(12)的矽； g2)以氫氧化鉀溶液、氫氧化四甲銨溶液、或藉由DRIE蝕刻法來蝕刻該“處置”層(12)。
如申請專利範圍第1項之製造方法，其中在步驟e)期間，在同一個晶圓中使數個游絲形成至尺寸大於所需之尺寸，以便於獲得具有一種起初剛性之數個游絲或具有數種起初剛性之數個游絲。
如申請專利範圍第1項之製造方法，其中步驟h)包含以下階段： h1)測量包含在步驟e)之期間所形成的該游絲且該游絲與具有已知慣性之擺輪(balance)偶合之組合件的頻率，且由所測量之頻率推斷所形成之游絲的該起初剛性； h2)由該游絲之該起初剛性的測定，計算待獲得之該線圈尺寸，以便於獲得具有最終剛性之該游絲。
如申請專利範圍第1項之製造方法，其中在步驟j)之後，該方法進一步包含以下步驟： k)在具有最終剛性之該游絲的至少一部分上，將薄層形成在該游絲之外表面的一部分上，如此得以形成對氣候變化且對靜電本質之干擾較不敏感的游絲。
如申請專利範圍第6項之製造方法，其中該薄層包含鉻、鈦、鉭或其合金。