TWI520897B - 製造微機械零件的方法 - Google Patents

Description

製造微機械零件的方法

本發明係關於製造以微機械材料製作之機械零件的方法，更特別地，將被使用來製造時計之此類型的零件。

以結晶矽基材料製造的時計零件係已知的。確定的是，由於特別在電子領域內的現有方法之進步，微機械加工狀結晶矽的使用具有製造精確性方面之優點。因此，雖然該使用可能製造平衡彈簧，因為其不足的摩擦特性，仍不可能將微機械材料應用於時計零件。再者，現有製造方法仍保持複雜，在損壞此種零件的風險下實施並需要所製造零件的直接處理。

本發明的目的在於藉由建議容許零件的簡單可靠預組裝之方法來克服所有或部份的前述缺點，防止其功能性部份的任何處理，以使該零件隨時被安裝於諸如時計的裝置，而不必要被接觸到。再者，該方法容許可被應用於大部份機械時計零件之微機械零件的高品質製造。

本發明因此係關於製造機械零件的方法，其包含以下步驟：

a)提供以可微機械加工材料製成之基板；

b)借助光微影術，蝕刻(5)包括該零件之圖案(50)穿過該整個基板；

其特徵在於進一步包含以下步驟：

c)將夾片組裝在該零件上以使該零件隨時被安裝而不必要接觸以可微機械加工材料製成之部份；

d)使該零件自該基板脫離，以使該零件安裝於裝置。

依據本發明的其它有利特徵：步驟c包含這些步驟：e)將該基板安裝在裝有叉件之支座上，使得該等叉件與該零件合作；f)將該夾片組裝在對著該支座安裝之該零件上；步驟e)包括這些步驟：g)使用校準機構相對於該支座來導引該基板以使該基板可靠地定向；h)分別地對著固定於該支座之在至少一銷及該等叉件而滑動該基板及該零件以分別緊靠該至少一銷的肩部及該等叉件，以準備該夾片的組裝；該校準機構係設置高於該至少一銷及該等叉件以保證步驟g)然後h)的連續性；該支座包括數個校準機構以改善步驟g)中導引；該方法在步驟b)及c)之間另包括這些步驟：i)將該蝕刻的基板安裝在基座上以使其頂及底表面可接近；j)將比該可微機械加工材料更佳的摩擦品質的塗層沉積在該零件的外表面上；步驟h)包括這些步驟：k)使用校準機構相對於該基座來導引該基板以使該基板可靠地定向；l)對著固定至該支座之至少一銷而滑動該基板直到該基板緊靠該至少一銷的肩部，其被製作離該支座一距離以保持該基板高於該支座；該校準機構係位在高於該至少一銷以保證步驟k)然後l)的連續性；該支座具有數個校準機構用於改善步驟k)中的導引；於步驟b)期間至少一材料橋接係蝕刻於該圖案以保持該零件固定至該基板；該至少一材料橋接在連接至該零件的圖案之端包括窄部，用於產生可促成步驟e)之弱區帶；步驟d)係藉由該零件及該基板間的相對移動而達到以使該至少一材料橋接斷裂；數個零件係自相同基板而製造；該微機械材料係選自包含結晶矽、結晶矽土及結晶鋁土之群組中。

圖7所示之實例顯示標示1之方法的流程圖。方法1主要包括用於製造機械零件1的6個步驟3、5、7、9、11及13，其核心係以可微機械加工材料的基座製成。確實的是，因為其至少微米的精密度，微機械材料對於製造例如時計的零件特別有用，且有利地取代一般使用之金屬材料。

於以下說明，微機械材料可以是晶矽基類似物，例如，單晶矽、晶矽土，如同石英或晶鋁土，如同剛玉(亦稱為合成藍寶石)。明顯的是，其它微機械材料可能被想到。

步驟3在於採用基板53，其以微機械材料類似物製成，例如，使用於製造電子組件之單晶矽晶圓。較佳的是，薄化相被提供於步驟3以適應零件51的最後厚度。此相可達到藉由機械或化學背研磨技術。

步驟5在於製作圖案50，其包括將製造的機械零件51，經由整個基板53，藉由光微影術，然後蝕刻。有利的是，如圖1及2所示，基板53相對於零件51的更大尺寸容許數個圖案50被蝕刻，且因此數個零件51自相同基板53而製造。

於圖1及2所示之實例，每一機械零件51係用於時計之擒縱輪。當然方法1容許其它時計零件還有數個不同零件在相同基板53上而製造，如以下所述。

步驟7在於將已蝕刻基板53安裝在基座55上，以使其頂及底表面容易接近。此步驟促成步驟9的實施，其在於將比該微機械材料更佳的摩擦品質的塗層沉積在零件51的外表面上。確實的是，將基板53放置高於基座55促成塗層的沉積，在於其容許每一零件51的頂部、厚度及底部被接近。

步驟9容許有利地更換任何不足摩擦品質的微機械材料之塗層的沉積。

塗層可以是例如，碳同素異形體基。一個人亦可能想到藉由化學相沉積(CVD)來沉積如同合成鑽石之晶碳塗層。諸如鑽石狀碳(DLC)之非晶碳亦可藉由汽相沉積(PVD)而沉積。當然，一或數個其它材料可被使用作為碳的替代物或附加物。其它沉積方法亦可被想到。

步驟13在於使用支座81將夾片91組裝在零件51上，使得預組裝的零件51隨時可被安裝，而無以必須被接觸之微機械材料製成之零件。

步驟11在於使每一零件51自基板53脫離。因此，於圖式中所示之實例，依據方法1，數打的機械零件51可在相同基板53上而獲得。於圖1至6所述之實例，一個人因此可獲得，例如，其核心以單晶矽製成之擒縱輪，以及於依據下述之實施例，其包括以合成鑽石製成之外表面及/或預組裝的夾片91。

自主要步驟3、5、7、9、11及13，現在將解說每一實施例。於第一實施例，方法1包括圖7中的單線所示之連續步驟3、5、13及11。第一步驟3在於採取以微機械材料製成之基板53。

然後，第二步驟5在於製作圖案50，每一圖案包括藉由微影術然後蝕刻穿過整個基板53而製造機械零件51。依據圖7的流程圖所示之第一實施例，第二步驟5包括三個相15、17及19。

於第一相15，保護掩膜被構成在基板53上。較佳地，保護掩膜係使用光敏樹脂製作。保護掩膜因此係使用用於構成該掩膜之選擇性輻射以對應於將製作的每一圖案50之形狀而形成。因為此步驟15，將可能以非常精密方式選擇性地蝕刻基板53上之任何平坦形狀。

於第二相17，實施基板53-保護掩膜總成的可微機械加工材料。較佳使用深反應離子蝕刻(DRIE)。可微機械加工材料可於未受該保護掩膜保護之區帶以大致直線方式來蝕刻基板53。第二相17期間之蝕刻係較佳地實施在基板53的整個厚度，且可能地，沿著適合於此種蝕刻之微機械材料的結晶軸。

再者，依據本發明，如圖1及2所示，較佳地具有兩個材料橋接57。此些橋接能夠使零件51相對於基板53而固持定位直到步驟11。如圖2中可見，材料橋接57在連接至零件51的圖案之端包括窄部位，用於產生可促成脫離步驟11之弱區帶。

最後，依據第一實施例，第二相17亦使用於蝕刻基板53之孔59以形成校準機構的一部份。於圖1所示的實例，可看到的是，三孔59已被形成。相互離約120度分佈且接近基板53的端。

於第二步驟5的第三及最後相19，保護掩膜係自基板53的表面而移除。然後獲得包括數個圖案50之基板53，圖案50包括藉由兩材料橋接57而固定至基板53之零件51，如圖1及2所示。當然，於步驟5，一個人可想到製作單材料橋接57或超過2個。

依據第一實施例，第三步驟13在於使用支座81將夾片91組裝至零件51，以使預組裝零件51可隨時安裝而不必要接觸以微機械材料製成之零件。步驟13包括相25及27。

第一相25在於將基板53安裝至裝有叉件87之支座81，以使一叉件87的齒82與每一零件51合作，且因此促成夾片91的組裝。如圖5可見，首先藉由沿著方向D移動基板53更接近支座81，使用校準機構沿著方向E導引基板53，以使基板53相對於支座81可靠地定向。

校準機構較佳地係藉由安裝於大致垂直固定至支座81之銷85的延伸之削角柱80，削角柱80於步驟5與製作於基板53中之凹部59的一者合作。方法1較佳包括三校準機構80、59以改善第一相25中的導引。

接著及最後，藉由繼續使基板53沿著位移D更接近支座81，基板53然後每一零件51分別對每一銷85及每一叉件87而滑動，銷85及叉件87係固定至支座81。當基板53及每一零件51大致緊靠每一銷85的肩部88及形成於由齒82所界定之空間84的底部之每一叉件87的肩部時，第二期間結束。

如圖5所見，在相25的端，基板53及每一零件51(仍固定於基板53)係以穩定方式置放，以及其所具有的唯一自由度係向上的位移D。於圖2右上方的圖案所示之實例，叉件87的三齒82可看到，其空間相當於擒縱輪51的兩臂之間的自由空間。當然，叉件87將依照所製造之零件51而適應。支座81較佳地係以不會損壞零件51之材料(例如，塑膠聚合物)而形成。

校準機構80、59較佳地係垂直設置高於銷85及叉件87，以保證第一階段然後第二階段的連續性。

於第三步驟13的第二相27，夾片91係組裝至每一零件51。於圖6所示的實例，第一組裝的零件51及更靠右邊的第二零件51(其尚未組裝夾片91)可被看到。當然，使用此圖6將更為瞭解。確定的是，夾片91的組裝應不限於使用鑷子89一個一個組裝，然而當然可使用自動機器在同時完成每一零件51。

如右邊尚未組裝的零件51所示，首先，夾片91係朝向容納於由齒82所界定的空間84之零件51的穿孔中心69而沿著位移F來移動。較佳地，夾片91相對於穿孔中心69的最大位移係由製作於空間84的延伸之孔86的高度所限定，其使夾片91可靠地相對於零件51而安裝。

次者，一旦所有夾片91已被置放在所有零件51上時，夾片91及零件51係例如藉由加熱於爐中而限定地相互固定，該加熱使存在於每一夾片91上之黏著劑聚合化，其具有將每一零件51固定於其相關穿孔中心69的功效。

在步驟13的最後，操作者因此獲得基板53，其中每一圖案50的零件51被預組裝。有利的是，依據本發明，成打的零件51因此仍可一起處理，且可有或無支座81直接供應至諸如時計機心之裝置的生產線。

第四及最後步驟11在於運用零件51及基板53間的相對移動，以使材料橋接57斷裂。有利的是，依據本發明，移動可藉由在夾片91上直接拉動而達成，其使每一零件終於被安裝，而無微機械材料的任何直接處理。步驟11因此可使用鑷子或自動機器而手動達成。

於圖1及2所示的實例，零件51係擒縱輪，而夾片91係其樞銷。然而，本發明決不受此限制，以及，經由實例，零件51可以是其它類型的齒輪系、齒冠或甚至平衡彈簧夾套總成，正如夾片91可以是與樞銷不同之功能性零件。

第二實施例被提供用於微機械材料具有用於零件51的想要應用之充份摩擦特性之例子。於第二實施例，方法1具有如圖7中的雙線所示之連續步驟3、5、7、9、13及11。步驟3、5相對於第一實施例保持不變。如圖7所示，取代如第一實施例之自步驟5轉至步驟13，第二實施例在轉至步驟13之前先通過步驟7及9，其有利地意指，塗層可被沉積在基板53的每一零件51上。

依據第二實施例，第三步驟7在於將已蝕刻基板53安裝在基座55上以使基板53的頂及底表面可接近，來準備沉積步驟9。步驟7包括相21及23。

圖3解說依據第二實施例之實例基座55。基座55係板，其材料(例如，陶瓷)可承受步驟9的溫度。為了保持基板53高於基座55，基座具有在步驟5期間與製作於基板53的孔59合作之銷61。因為如基座55之相同理由，銷61較佳地係以鎢或鉭製成。

較佳地，每一大致圓柱形的銷61具有藉由肩部67連接至較小剖面的高部65之低部63。低部63係以固定方式大致垂直安裝於基座55。於高部65的延伸，有屬於下述校準機構之削角柱60。

於第一相21，如圖3所示，藉由移動基板53沿著方向A使更接近基座55。基板53係使用校準機構沿著方向B而導引，使得基板53相對於基座55可靠地定向。

校準機構較佳地係藉由與一凹部59合作之削角柱60而形成。方法1較佳地包括3個校準機構60、59以改善第一相21中的導引。

於第二相23，繼續沿著位移A更接近移動，基板53對著銷61的每一高部65滑動直到基板53係大致緊靠每一銷61的肩部67。如圖3所示，在步驟7的最後，基板53係穩定定位，以及其僅唯一的自由度係於向上的位移A。

於圖2所示的實例，在圖案50上，在右下方及在左上方，可見到校準機構柱60-孔59的變化。變化被提供，此處，在基板53的端之空間意指孔59不可能被製作。依據該變化，兩柱93、97被提供，每一柱與圖案50的空部合作。該二圖案50較佳地係儘可能相互遠離，以及每一圖案接近基板53的端。於圖2所示的實例，可見到，每一大致三角形的柱93、97沿著中央對稱與不同圖案50合作，以改善步驟21中的導引。該對稱較佳地係相對於基板53的中央而達到，且使用圖案50至圖1所示之實例的左上方及右下方。

校準機構60、59、93、97較佳地係位在垂直高於銷61，以保證相21然後相23的連續性。

依據第二實施例，第四步驟9在於將塗層沉積在每一零件51的外表面上。如以上所述，該塗層例如可以是碳同素異形體，或改善每一零件51的摩擦，特別是藉由減小其摩擦係數。如圖4箭頭C所示，於步驟9，塗層被沉積在下方，經由步驟7超過基板53的厚度且在上方，用於向上設置基板53，且因為基板53係於步驟5蝕刻穿過。

在步驟9的最後，基板53係自基座55移除，然後第二實施例以相同方式如第一實施例來實施步驟13。在步驟13的最後，基板53因此被獲得，其中每一圖案50的可微機械加工材料的零件51係塗有沉積且預組裝有夾片91。有利的是，依據本發明，成打的零件51因此仍可一起處理，且可有或無支座81直接供應至諸如實針機心之裝置的組裝線。

第六及最後步驟11在於運用零件51及基板53間的相對移動，以使材料橋接57斷裂。有利的是，依據本發明，移動可藉由直接在夾片91上拉動而達成，其能夠使每一零件作最後組裝，而無微機械材料及/或沉積塗層的任何直接處理。步驟11因此可使用鑷子或使用自動機器而手動達成。至於第一實施例，依據第二實施例之本發明未受限於如圖1及2所示之擒縱輪。

當然，本發明未受限於實例所述，而能夠是將出現於熟習此項技藝者之各種變化及更改。特別的是，可能想到方法1的第三實施例包括如圖7中三線所示之連續步驟3、5、7、9及11，其將產生包括沉積塗層之零件51，而其中步驟11將更難以完成，因為缺少諸如存在於第一及第二實施例的夾片91之夾緊機構。步驟11然後可以是在於施加應力至材料橋接57，以使材料橋接57斷裂而取得該零件。

該三種變化顯示本發明可提供每一步驟間之簡化機構，因為零件51僅於最後步驟11自基板53移除。其優點是，成打的零件51可藉由單獨處理基板53而移動在每一步驟之間。

CVD．．．化學相沉積

DLC．．．鑽石狀碳

PVD．．．汽相沉積

DRIE．．．深反應離子蝕刻

D．．．方向

F．．．位移

15．．．第一相

17．．．第二相

19．．．第三及最後相

21．．．相

23．．．相

25．．．第一相

27．．．第二相

50．．．圖案

51．．．機械零件

53．．．基板

55．．．基座

57．．．材料橋接

59．．．孔

59．．．凹部

60．．．削角柱

61．．．銷

63．．．低部

65．．．高部

67．．．肩部

69．．．穿孔中心

80．．．削角柱

81．．．支座

82．．．齒

84．．．空間

85．．．銷

86．．．孔

87．．．叉件

88．．．肩部

89．．．鑷子

91．．．夾片

93．．．柱

97．．．柱

圖1係在光微影術及蝕刻步驟之後之基板的示意圖；

圖2係圖1的一部份的放大圖；

圖3係依據本發明組裝至基座上的步驟的示意圖；

圖4係塗佈沉積步驟的示意圖；

圖5係依據本發明組裝至支座上之步驟的示意圖；

圖6係依據本發明之夾片組裝步驟的示意圖；

圖7係本發明的方法的流程圖。

53．．．基板

57．．．材料橋接

69．．．穿孔中心

81．．．支座

82．．．齒

84．．．空間

85．．．銷

86．．．孔

87．．．叉件

88．．．肩部

89．．．鑷子

91．．．夾片

F．．．位移

Claims (24)

1. 一種製造機械零件(51)的方法，包含以下步驟：a)提供以可微機械加工材料製成之基板(53)；b)借助光微影術，蝕刻包括該零件之圖案(50)穿過該整個基板；其特徵在於進一步包含以下步驟：c)將夾片(91)組裝在該零件上以使該零件(51)隨時被安裝，而不必要接觸以可微機械加工材料製成的部份；d)使該零件(51)自該基板(53)脫離，以使該零件安裝於裝置。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中步驟c)包含以下步驟：e)將該基板(53)安裝在裝有叉件(87)之支座(81)上，使得該等叉件(87)與該零件合作；f)將該夾片(91)組裝在對著該支座(81)安裝之該零件(51)上。
3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中步驟e)包括以下步驟：g)使用校準機構(80、59、93、97、50)相對於該支座來導引(E)該基板(53)以使該基板可靠地定向；h)分別地對著固定於該支座(81)之在至少一銷(85)及該等叉件(87)而滑動該基板(53)及該零件 (51)以分別緊靠該至少一銷的肩部(88)及該等叉件，以準備該夾片(91)的組裝。
4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該等校準機構(80、59、93、97、50)係設置高於該至少一銷及該等叉件以保證步驟g)然後h)的連續性。
5. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該支座(81)包括數個校準機構(80、59、93、97、50)以改善步驟g)中之導引。
6. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該等校準機構包括固定於該支座(81)之至少一柱(80、93、97)，用於與步驟b)中製作於該基板(53)之凹部(59、50)合作。
7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中每一凹部(59)被製作接近該基板(53)的端。
8. 如申請專利範圍第6項之方法，其中每一凹部對應於該圖案(50)中之空的空間。
9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該方法在步驟b)及c)之間另包括以下步驟：i)將該蝕刻的基板安裝在基座(55)上以使其頂及底表面可接近；j)將比該可微機械加工材料更佳的摩擦品質的塗層沉積在該零件的外表面上。
10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中步驟h)包括以下步驟： k)使用校準機構(60、59、93、97)相對於該基座來導引該基板(53)以使該基板可靠地定向；l)對著固定至該支座(55)之至少一銷(61)而滑動該基板(53)直到該基板緊靠該至少一銷的肩部(67)，其被製作離該支座一距離以保持該基板(53)高於該支座。
11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該等校準機構(60、59、93、97)係位在高於該至少一銷以保證步驟k)然後l)的連續性。
12. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該支座(55)具有數個校準機構(60、59、93、97)用於改善步驟k)中之導引。
13. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該等校準機構包括固定至該支座(55)之至少一柱(60、93、97、50)，用於與步驟b)中製作於該基板(53)的凹部(59、50)合作。
14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中每一凹部(59)係製作接近該基板(53)的端。
15. 如申請專利範圍第13項之方法，其中每一凹部對應於圖案(50)中之空的空間。
16. 如申請專利範圍第1項之方法，其中於步驟b)期間，至少一材料橋接(57)被蝕刻於該圖案(50)以保持該零件(51)固定至該基板(53)。
17. 如申請專利範圍第16項之方法，其中該至少一 材料橋接(57)在連接至該零件的圖案之端包括窄部，用於產生可促成步驟e)之弱區帶。
18. 如申請專利範圍第16項之方法，其中步驟d)之達成係藉由該零件(51)及該基板(53)間的相對移動，以使該至少一材料橋接(57)斷裂。
19. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該基板(53)係在步驟a)及b)之間薄化以適應該零件(51)的最終厚度。
20. 如申請專利範圍第1項之方法，其中數個零件(51)係以相同基板(53)製造。
21. 如申請專利範圍第1項之方法，其中步驟b)包括以下步驟：以匹配該零件之形狀將保護掩膜構成在該基板(53)上；各向異性蝕刻該基板掩膜組合；移除該保護掩膜。
22. 如申請專利範圍第21項之方法，其中使用光敏樹脂來製作該保護掩膜。
23. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該微機械材料係選自包含結晶矽、結晶矽土及結晶鋁土之群組中。
24. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該裝置係時計。