TWI555698B - 複合微機械組件及其製造方法 - Google Patents

Description

複合微機械組件及其製造方法

本發明有關複合微機械組件，其至少一表面具有低摩擦係數，及有關製造該複合微機械組件之方法。

歐洲專利第2 060 534號揭示一製造矽金屬複合微機械組件之方法，該微機械組件由微影術使用感光性樹脂、矽蝕刻及電鑄生長所獲得。然而，此方法係複雜的，以遍及數個位準施行用於金屬部分，且最後之塗覆步驟必需被提供，以改善矽之磨潤性質。

再者，此型式之方法係不適合用於具有高細長度比率之微機械組件，在此具有譬如12%磷之材料、諸如鎳-磷傾向於剝離。因為該被沈積鎳-磷中之內部應力，此型式組件之電鑄沈積分成細層。

本發明的一目的係藉由提出一複合微機械機件克服所有或部分該等前述之缺點，該複合微機械機件之有用組件被塗以一比所使用之可微機械加工材料較佳的磨潤材料，及提出一製造此等組件而包括更少步驟之方法。

本發明因此有關一製造複合微機械組件之方法，其包括以下步驟：

a)提供一基板，該基板包括一水平頂部層及一水平底部層，該二層係由導電、可微機械加工的材料所製成，且藉由一電絕緣、水平、中介層彼此固定；

b)蝕刻該頂部層中之至少一圖案直至該中介層，以便形成該基板中之至少一孔腔，該基板將形成該複合組件之由可微機械加工的材料所製成之至少一部分；

c)以一電絕緣塗層塗覆該基板之頂部；

d)方向性蝕刻該塗層及該中介層，以便將其存在專有地限制於該頂部層中所形成之每一直立壁面；

e)藉由將電極連接至該基板之導電底部層而施行電沈積，以形成該複合組件之至少一金屬部分；

f)由該基板釋放該複合組件。

如此，有利地係根據本發明，在磨潤性上比該可微機械加工的材料較佳之層的沈積係完全整合在此製造方法內，且不在該組件的製造之後施行。

根據本發明之其他有利的特色：

-　一部分係在步驟d)之後組裝在該頂部層上方，以形成與該至少一孔腔相通之至少一壁凹，以便形成該組件之第二位準；

-　在步驟e)之前，該方法包括步驟g)：將栓銷組裝於該至少一孔腔中，以便在該未來複合組件中形成一孔洞；

-　步驟b)包括階段h)：在該導電頂部層上建構至少一保護遮罩，階段i)：在未被該至少一保護遮罩所保護的部分上方施行該頂部層的各向異性蝕刻，與階段j)：移去該至少一保護遮罩；

在步驟e)之前，該方法包括步驟g)：將栓銷組裝於該至少一孔腔中，以便在該未來複合組件中形成一孔洞；

-　在步驟f)之前，該方法包括步驟b')：在該底部層中蝕刻一圖案直至該金屬部分，以便在該基板中形成至少一個第二孔腔，步驟c')：以第二電絕緣塗層塗覆該基板之底部；與步驟e')：藉由將該電極連接至該基板之導電底部層來施行電沈積，以便最後加工形成該組件之該等金屬部分；

-　在步驟c')之後，該方法包括步驟d')：方向性蝕刻該第二塗層，以便專有地顯露該底部層之底部；

-　一部分係在步驟d')之後被組裝，以便形成與該至少一個第二孔腔相通之至少一壁凹，該第二孔腔為該組件提供額外之第二位準；

-　在步驟e')之前，該方法包括步驟g')：將栓銷組裝於該底部層之至少一個第二孔腔中，以便在該未來複合組件中形成一孔洞；

-　步驟b')包括階段h')：在該導電頂部層上建構至少一保護遮罩，階段i')：施行未被該至少一保護遮罩所保護的部分中之該底部層的各向異性蝕刻，與階段j')：移去該保護遮罩；

-　數個複合微機械組件係在同一基板製成；

-　該等導電層包括摻雜矽基材料。

本發明亦有關一複合微機械組件，包括水平、矽部分，該矽部分包括一承接金屬部分之孔洞，其特徵為該矽部分係藉由摻雜矽所形成，並包括至少一直立部分，其係用於傳送一機械力量，且被塗以二氧化矽，以便改善該摻雜矽之磨潤品質。此組件可有利地被使用於經由其二氧化矽塗覆之矽部分傳送力量，譬如藉由在該金屬部分被驅動。

按照本發明之其他有利的特色：

-　該金屬部分包括一由該矽部分突出之部分，以便在該矽部分上方形成唯一的金屬位準；

-　該矽部分經由二氧化矽層與第二矽部分配合；

-　該第二矽部分係藉由摻雜矽所形成，且具有直立、二氧化矽壁面，以改善該摻雜矽之磨潤品質；

-　該第二矽部分包括用於承接第二金屬部分之至少一孔洞；

-　該第二金屬部分包括一由該第二矽部分突出之部分，以便在該第二矽部分下方形成唯一的金屬位準；

-　每一金屬部分包括用於驅動該組件抵靠著一樞軸之孔洞。

最後，本發明亦有關一時計，其包括按照該等前述變型之一的複合微機械組件，其中至少一矽部分形成一擒縱輪或擒縱掣子。

如圖14顯示，本發明有關一製造複合微機械組件41、41'之方法1。方法1較佳地是包括一製備方法3，隨後有電鑄步驟5及釋放藉此形成的複合組件41、41'之步驟7。

製備方法3包括用於製備至少局部由可微機械加工的材料、諸如較佳地是矽基材料所製成之基板9、9'的一系列步驟。製備方法3係用以有利於電鑄沈積步驟5之承接及生長。

方法3之第一步驟10在於取得一基板9，其包括一頂部層21及一底部層23，該二層係由導電、可微機械加工的材料所製成，且藉由一電絕緣、中介層22彼此固定，如在圖1所說明。

較佳地是，基板9係一絕緣層上矽(S.O.I.)。如此，中介層22較佳地係由二氧化矽所製成。再者，頂部層21及底部層23被由結晶矽所製成，並充分摻雜用於該等導電層。

根據本發明，方法3包括第二步驟11，在於在導電頂部層21上建構至少一保護遮罩24，如圖1所示。如圖1亦顯示，遮罩24具有不會覆蓋頂部層21之至少一圖案26。此遮罩24可譬如藉由微影術使用一正或負感光性樹脂所獲得。

於第三步驟12中，頂部層21被蝕刻直至中介層22被顯露。根據本發明，蝕刻步驟12較佳地係包括DRIE型式各向異性乾燥蝕刻。該各向異性蝕刻係按照遮罩24之圖案26在頂部層21中施行。

於第四步驟14中，遮罩24被移去，如此，如於圖2中可看見，在第四步驟14之末端，頂部層21被蝕刻遍及其整個厚度，而具有至少一孔腔25，如此形成至少一最後複合組件41、41'的矽部分。

於第五步驟16中，電絕緣塗層30被沈積，塗覆基板9之整個頂部，如在圖3所示。較佳地是，塗層30係藉由氧化該被蝕刻頂部層21之頂部、及中介層22所獲得。如圖3顯示，二氧化矽層係如此在頂部層21及中介層22之頂部上與在頂部層21的直立壁面51、52上獲得。

按照第六步驟18，方向性蝕刻係在塗層30及中介層22上施行。步驟18係用於將絕緣層之存在專有地限制於該頂部層21中所形成之每一直立壁面、亦即壁面51、52上，該等壁面分別為該未來之複合組件41、41'及該至少一孔腔25之外部。根據本發明，於一方向性或各向異性蝕刻期間，藉由在反應離子型蝕刻反應器中調制譬如該室壓(極低壓力加工)，該蝕刻現象之直立分量係相對該水平分量為有利的。此蝕刻可譬如為“離子銑削”或“濺射蝕刻”。如此步驟18被進行及如在圖4所示，其充分清楚的是孔腔25之底部係藉由導電底部層23所形成，且基板9之頂部係藉由亦為導電的頂部層21所形成。

為了改善步驟5之隨後電鑄的黏附力，一黏附層能被設在每一孔腔25之底部上及/或頂部層21之頂部上。該黏附層能接著包括諸如該合金CrAu之金屬。

較佳地是，於第六步驟18中，栓銷29亦可被組裝，以便馬上形成一心軸孔42、42'，用於電鑄步驟5中之複合微機械組件41、41'。這不只具有意指一旦該電鑄已完成而不需要機器加工該組件41、41'之優點，而且意指任何形狀之內部區段可被製成，不論遍及孔洞42、42'之整個頂部是否均勻。栓銷29較佳地係譬如經由光微影方法使用感光性樹脂所獲得。

在步驟18之後，製備方法3被完成，且製造該複合微機械組件之方法1繼續電鑄步驟5及釋放該組件之步驟7。

電鑄步驟5係藉由連接該沈積電極至底部層23所施行，以便增長孔腔25中之電解沈積33。

製造方法1終止於步驟7，其中藉由頂部層21及沈積於孔腔25中之金屬部分所形成之組件係由基板9之其餘部分、亦即由底部層23及栓銷29釋放。依據此具體實施例，其充分清楚的是所獲得之微機械組件遍及其可包括一心軸孔的整個厚度具有完全相同形狀之單一位準。

此微機械組件能譬如為一擒縱輪、擒縱掣子或甚至在其心軸孔包括一金屬部分之小齒輪，該心軸孔允許該微機械組件被驅動進入。再者，該矽部分之外部壁面具有比那些矽部分21更有利之特色的二氧化矽層，提供一微米等級之幾何精確度。

根據此具體實施例之另一選擇，藉由圖14中之雙重線所說明，在步驟18之後，製備方法3包括一額外步驟20，用於形成該金屬部分43、43'之至少第二位準45、45'，如在圖5所說明。如此，第二位準45、45'係藉由以電絕緣壁面32將一部分27安裝在頂部層21上所造成，該頂部層於步驟12期間未被蝕刻。

較佳地是，該增加之部分27形成比按照圖案26所移去之部分較大的區段之至少一壁凹28，譬如使用感光性樹脂經由一光微影方法。然而，部分27亦可包括一預先蝕刻、且接著被固定至導電層21之矽基材料。

因此，根據該上面具體實施例之另一選擇，在步驟20之後，製備方法3被完成，且製造該複合微機械組件41之方法1繼續電鑄步驟5及由基板9釋放該組件之步驟7。

電鑄步驟5係藉由連接該沈積電極至底部層23所施行，以便首先在孔腔25中增長電解沈積，且接著僅只其次於壁凹28中增長電解沈積，如在圖5所說明。

實際上，有利地係根據本發明，當該電解沈積係與孔腔25之頂部齊平時，其電連接頂部層21(或盡可能其黏附層)，其允許整個壁凹28中之沈積的同質水平增長。如此，本發明遍及該相同之厚度提供具有第一金屬部分43之複合組件41當作頂部層21；及第二、突出、金屬部分45。

有利地是，該第二金屬部分45能具有一高細長度比率，亦即，孔腔25區段可為比壁凹28遠較小。實際上，因為方法1，部分45被製成，而避免任何剝離問題，甚至具有諸如鎳-磷之沈積金屬，包含譬如12%磷。此有利之效果係局部由於矽之使用當作導電層21、23(與盡可能其黏附層)，其在該等介面減少分層現象。

根據該上面具體實施例之另一選擇，製造方法1終止於步驟7，在其中釋放所形成之組件41，亦即部分27及栓銷29被移去，且組件41係由基板9之層22、23移去。

其充分清楚的是如圖6及7所示，所獲得之複合微機械組件41具有二位準，每一位準遍及一完全獨立之厚度具有不同的形狀，且能夠包括單一心軸孔42。該第一位準如此包括頂部層21，其直立壁面51、52被塗以二氧化矽，且其內部孔腔25承接該電鑄沈積之第一部分43。該第二位準係藉由該第二金屬部分45所專有地形成，該第二金屬部分延伸作為該第一部分43的一延伸部分，且由頂部層21突出。於圖6及7所說明之範例中，其應注意的是第二部分45亦與頂部層21局部重疊。

如圖6及7顯示，微機械組件41可因此具有與藉由沒有步驟20的具體實施例所獲得者相同之第一位準，且如此具有一微米等級之幾何精確度，而且理想參考、亦即該二位準間之完美定位。微機械組件41能接著形成一輪組，包括諸如一齒輪2及一小齒輪4，譬如一擒縱輪。根據本發明，所獲得之微機械組件係不限於一輪組。於一變型中，其係完全可能設想獲得具有塗以二氧化矽之單塊擒縱叉石的掣子2及包括一保險針4。

根據方法1之第二具體實施例(圖14中之雙虛線所說明)局部地表示業已解釋之具體實施例的一延續部分。如圖8至13所顯示，其如此係可能也同樣應用方法3至底部層23，以便將至少一或二其他額外之位準加至該微機械組件。為避免使該圖面超載，單一範例係在上面詳細敘述，但其充分清楚的是底部層23亦可按照上面所說明之具體實施例而有或沒有該另一選擇地被轉變。

該第二具體實施例之步驟保持與上面所敘述之方法1完全相同或類似，直至步驟18或20。於圖8至13所說明之範例中，吾人將採用具有圖5所說明之另一選擇步驟20的具體實施例範例當作用於方法1之起點。

較佳地是，依據此第二具體實施例，底部層23將被蝕刻，以便形成至少一個第二孔腔35。如能被看見，較佳地是在圖5及圖8之間，沈積33已在該第一孔腔25的一部分中被施行，以便提供一用於該第二電鑄之開始層。較佳地是，此沈積33係藉由開始步驟5所進行直至一預定厚度。然而，此沈積33能按照另一方法被施行。

如由圖14及圖8至13中之雙重虛線所說明，方法1之第二具體實施例應用上面所說明的方法3之第一具體實施例的步驟11、12、14、16及18至底部層23。

如此，根據該第二具體實施例，方法3包括一新的步驟11，在於在基板9'的導電底部層23上建構至少一遮罩34，如圖9所示。如圖9亦顯示，遮罩34具有未覆蓋底部層23之至少一圖案36及31。此遮罩34可譬如藉由微影術使用感光性樹脂所獲得。

其次，於新的步驟12中，層23係按照圖案36及31蝕刻，直至導電沈積33及中介層22被顯露。然後保護遮罩34在一新的步驟14中被移去。如此，如圖10所顯示，在步驟14之末端，底部層23係遍及其整個厚度蝕刻有至少一孔腔35及39。

於一新的步驟16中，電絕緣塗層38被沈積，覆蓋基板9'之整個底部，如在圖11所說明。較佳地是，塗層38係藉由將二氧化矽沈積在該底部層23的底部上所獲得，譬如使用蒸氣相沈積。

較佳地是，於圖8至13之吾人的範例中，新的步驟18僅只被施行供移去該至少一孔腔35的底部中所呈現之氧化物層。然而，如果第二位準係想要的，一方向性蝕刻係在塗層38之所有水平部分上施行。該新的步驟18將接著被用於將該絕緣層之存在專有地限制於該底部層23中所形成之每一直立壁面53、54、亦即該未來之組件41'及該至少一孔腔35之外側的壁面。

於新的步驟18中，如先前所說明，一栓銷37能被組裝，以便緊接於電鑄步驟5中在微機械組件41'中形成心軸孔42'，而具有上述相同之優點。

於方法1之第二具體實施例中，在步驟18之後，製備方法3被完成，且製造該微機械組件之方法1繼續電鑄步驟5及釋放複合組件41'之步驟7。較佳地是，如果栓銷29及37係分別形成在孔腔25及35中，它們被對齊。再者，栓銷37較佳地係經由一微影術方法使用感光性樹脂所獲得。

在新的步驟18(或20)之後，電鑄步驟5係藉由連接該沈積電極至底部層23所施行，以便增長孔腔35中之電解沈積，而且持續孔腔25中之沈積的增長，且接著其次僅只於壁凹28中增長，如在圖12所說明。於圖12中所說明之範例的案例中，為連接該電極，其如此係譬如可能蝕刻包含在頂部表面23下方之二氧化矽層38的一部分，以便接近之。吾人亦能設想直接連接沈積33。

根據該第二具體實施例之製造方法1以步驟7終止，其中組件41'被釋放、亦即部分27及栓銷29、37被移去，且組件41'係由基板9'縮回。

依據此第二具體實施例，其清楚的是如圖13所示，所獲得之複合微機械組件41'具有至少三位準，每一位準遍及一完全獨立之厚度具有不同的形狀，且具有單一心軸孔42'。該第一位準如此包括頂部層21，其內部壁面51、52被塗以二氧化矽，且其內部孔腔25承接該電鑄沈積之第一部分43'。該第二位準係藉由該第二金屬部分45'所專有地形成，其延伸作為第一部分43'之延伸部分，且當作一由頂部層21突出的部分。最後，該第三層係藉由底部層23所形成，其直立壁面53、54被塗以二氧化矽，且其內部孔腔35承接該電鑄沈積之第三部分47'。

微機械組件41'可因此具有與經由該第一具體實施例以步驟20所獲得者相同的第一、二位準。此微機械組件41能譬如為一具有小齒輪45'之同軸擒縱輪21-52、23-54，或一具有三層齒部21-52、23-54、45'之輪組，而具有一微米等級之幾何精確度，而且理想參考、亦即該二位準間之完美定位。

當然，本發明不被限制於所顯示之範例，但亦可具有對於那些熟諳此技藝者將為明顯的各種變型及修改。如此，數個複合微機械組件41、41'能在相同基板9、9'上被製成，以便達成不須為完全相同的微機械組件41、41'之大量生產。同樣地，吾人亦能設想改變矽基材料，用於結晶氧化鋁或結晶矽石或碳化矽。吾人能設想絕緣沈積30及/或38本質上不同及/或每一個經由來自那些在上面所說明者之不同方法沈積。

1．．．方法

2．．．齒輪

3．．．製備方法

4．．．小齒輪

9．．．基板

9’．．．基板

21．．．頂部層

22．．．中介層

23．．．底部層

24．．．保護遮罩

25．．．孔腔

26．．．圖案

27．．．部分

28．．．壁凹

29．．．栓銷

30．．．塗層

31．．．圖案

32．．．絕緣壁面

33．．．沈積

34．．．遮罩

35．．．孔腔

36．．．圖案

37．．．栓銷

38．．．塗層

39．．．孔腔

41．．．微機械組件

41’．．．微機械組件

42．．．心軸孔

42’．．．心軸孔

43．．．金屬部分

43’．．．金屬部分

45．．．第二位準

45’．．．第二位準

47’．．．第三部分

51．．．壁面

52．．．壁面

53．．．壁面

54．．．壁面

參考所附圖面，其他特色及優點將由以下藉由非限制性指示所給與之詳細敘述清楚地顯現，其中：

-　圖1至6係按照本發明之第一具體實施例製造微機械組件的方法之連續步驟的圖解；

-　圖7係根據本發明之第一具體實施例的微機械組件；

-　圖8至13係按照本發明之第二具體實施例製造微機械組件的方法之連續步驟的圖解；

-　圖14係根據本發明製造一微機械組件的方法之流程圖。

21．．．頂部層

22．．．中介層

41．．．微機械組件

42．．．心軸孔

43．．．金屬部分

45．．．第二位準

52．．．壁面

Claims (21)

1. 一種製造複合微機械組件(41、41')之方法(1)，包括以下步驟：a)提供一基板(9、9')，該基板包括一水平頂部層(21)及一水平底部層(23)，該二層係由導電且可微機械加工的材料所製成，且藉由電絕緣且水平的一中介層(22)彼此固定；b)蝕刻該頂部層(21)中之至少一個圖案(26)直至該中介層(22)，以便形成該基板(9、9')中之至少一個孔腔(25)，該基板將形成該複合組件之由可微機械加工的材料所製成之至少一個部分(21、23)；c)以一電絕緣塗層(30)塗覆該基板之頂部；d)方向性蝕刻該塗層及該中介層，以便將其存在專有地限制於該頂部層(21)中所形成之每一直立壁面(51、52)；e)藉由將電極連接至該基板(9、9')之導電底部層(23)而施行電沈積，以形成該複合組件之至少一個金屬部分(33、43、43')；f)由該基板(9、9')釋放該複合組件(41、41')。
2. 如申請專利範圍第1項之方法(1)，其中一部分(27)係在步驟d)之後安裝在該頂部層(21)上方，以形成與至少一個的該孔腔相通之至少一個壁凹(28)，以便形成該組件之第二位準(45、45')。
3. 如申請專利範圍第1項之方法(1)，其中在步驟 e)之前，該方法包括以下步驟：g)將栓銷(29)安裝於至少一個的該孔腔中，以便在該未來複合組件(41、41')中形成一孔洞(42、42')。
4. 如申請專利範圍第1項之方法(1)，其中步驟b)包括以下階段：h)在該導電頂部層(21)上建構至少一個保護遮罩(24)；i)施行未被至少一個的該保護遮罩所覆蓋的部分(26)中之頂部層的各向異性蝕刻；j)移去至少一個的該保護遮罩。
5. 如申請專利範圍第1項之方法(1)，其中在步驟f)之前，該方法包括以下步驟：b')在該底部層(23)中蝕刻一圖案(36、31)直至該金屬部分(33、43、43')，以便在該基板中形成至少一個第二孔腔(35)；c')以第二電絕緣塗層(38)塗覆該基板之底部(23)；e')藉由將該電極連接至該基板(9')之導電底部層(23)來施行電沈積，以便最後加工形成該組件之該金屬部分(33、43'、45'、47')。
6. 如申請專利範圍第5項之方法(1)，其中在步驟c')之後，該方法包括以下步驟：d')方向性蝕刻該第二塗層，以便專有地顯露該底部 層(23)之底部。
7. 如申請專利範圍第6項之方法(1)，其中一在該水平底部層(23)上方的部分係在步驟d')之後被組裝，以便形成與至少一個的該第二孔腔相通之至少一個壁凹，該第二孔腔為該組件提供額外之第二位準。
8. 如申請專利範圍第5項之方法(1)，其中在步驟e')之前，該方法包括以下步驟：g')將栓銷(37)安裝於該底部層(23)中之至少一個第二孔腔(35)中，以便在該未來複合組件(41')中形成一孔洞(42')。
9. 如申請專利範圍第5項之方法(1)，其中步驟b')包括以下階段：h')在該導電頂部層(23)上建構至少一個保護遮罩(34)；i')施行未被至少一個的該保護遮罩所覆蓋的部分(36、31)中之該底部層的各向異性蝕刻；j')移去該保護遮罩(34)。
10. 如申請專利範圍第1項之方法(1)，其中數個複合微機械組件(41、41')係在同一基板(9、9')上製成。
11. 如申請專利範圍第1至10項的任何一項之方法(1)，其中該等導電層(21、23)包括摻雜矽基材料。
12. 一種複合微機械組件(41、41')，包括水平的矽部分(21)，該矽部分(21)包括一承接金屬部分(43、 43')之孔洞(25)，其特徵為該矽部分(21)係藉由摻雜矽所形成，並包括至少一個直立部分，其係用於傳送一機械力量，且被塗以二氧化矽(51、52)，以便改善該摻雜矽之磨潤品質。
13. 如申請專利範圍第12項之複合微機械組件，其中該金屬部分(43、43')包括一由該矽部分突出之部分(45、45')，以便在該矽部分(21)上方形成唯一的金屬位準。
14. 如申請專利範圍第12項之複合微機械組件，其中該矽部分經由二氧化矽層(22)與水平的一第二矽部分(23)配合。
15. 如申請專利範圍第14項之複合微機械組件，其中該第二矽部分(23)係藉由摻雜矽所形成，且包括直立的二氧化矽部分(53、54)，以便改善該摻雜矽之磨潤品質。
16. 如申請專利範圍第14項之複合微機械組件，其中該第二矽部分(23)包括承接第二金屬部分(47')之至少一個孔洞(35)。
17. 如申請專利範圍第16項之複合微機械組件，其中該第二金屬部分包括一由該第二矽部分突出之部分，以便在該第二矽部分(23)下方形成唯一的金屬位準。
18. 如申請專利範圍第12項之複合微機械組件，其中每一金屬部分(43、43'、45、45'、47')具有適於驅動該組件抵靠著一樞軸之孔洞(42、42')。
19. 一種時計，其特徵為該時計包括依照申請專利範圍第12至18項之其中一項的至少一個複合微機械組件。
20. 如申請專利範圍第19項之時計，其中該微機械組件之至少一個矽部分形成一擒縱輪。
21. 如申請專利範圍第19項之時計，其中該微機械組件之至少一個矽部分形成一擒縱掣子。