WO2015011637A2 - Spiralfeder für mechanische uhrwerke und verfahren zur herstellung einer spiralfeder für mechanische uhrwerke - Google Patents

Spiralfeder für mechanische uhrwerke und verfahren zur herstellung einer spiralfeder für mechanische uhrwerke Download PDF

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Konrad Damasko
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Damasko Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/02—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
    • F16F1/04—Wound springs
    • F16F1/10—Spiral springs with turns lying substantially in plane surfaces
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/04—Oscillators acting by spring tension
    • G04B17/06—Oscillators with hairsprings, e.g. balance
    • G04B17/066—Manufacture of the spiral spring
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/20—Compensation of mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/22—Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of variations of temperature
    • G04B17/227—Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of variations of temperature composition and manufacture of the material used

Definitions

  • the invention relates to a coil spring for mechanical movements.
  • the coil spring has a coincident with the vibration plane of the spiral spring coil spring plane. Further, a spiral spring axis extending perpendicularly to the spiral spring plane through which the oscillation center of the coil spring extends is provided.
  • the spiral spring consists of a core of polycrystalline silicon.
  • the invention relates to a method for producing a spiral spring for mechanical movements.
  • a mechanical movement has as its central components a barrel with tension spring, a gear train as well as an escapement and a vibration system (balance wheel).
  • the barrel with tension spring provides the drive of the movement.
  • the power is transmitted starting from the barrel via the gear train to the escape wheel, which represents a part of the escapement.
  • the gear train drives the hands of the watch and translates the spring force stored in the tension spring into rotational motions of different speeds, indicating seconds, minutes, hours and so on.
  • the balance comprises a vibrating body, which is mounted pivotably about an axis of rotation by means of a balance shaft. Further, a spiral spring is provided, which forms the oscillatory and clocking system together with the mass of the vibrating body. Finally, the balance includes a device for regulating the speed, such as a back, which can be used to change the oscillating characteristic of the spiral spring and thus to set the desired correct gear of the watch.
  • the exact course of the clock is based on the most even swinging back and forth of the coil spring to their equilibrium position. It attacks the Anchor alternately inhibiting and releasing in the escape wheel so that the movement always pulsates in the same time measure. However, without a steady supply of energy, the balance would stop moving. Therefore, the force coming from the barrel is continuously transmitted to the balance via the gear train. The escapement forwards the power via the escape wheel and the anchor to the balance wheel.
  • the oscillating body of the balance Upon leaving its equilibrium position, the oscillating body of the balance causes biasing of the coil spring, creating a return torque that causes the coil spring, after release by the armature, to return to its equilibrium position. As a result, the oscillating body is given a certain kinetic energy, which is why it oscillates beyond its equilibrium position until it stops the counter-torque of the coil spring and forces it to swing back.
  • the spiral spring thus regulates the oscillation period of the balance and thus the course of the clock.
  • the spiral spring can be made of special steel alloys in such a way that a wire made of the steel alloy is deformed by rolling and drawing operations in a rectangular cross-section. From this wire with a rectangular cross-section, the coil spring is subsequently produced by winding.
  • DE 10 2008 061 182 A1 discloses the production of coil springs made of silicon, in particular of polycrystalline silicon and of silicon carbide.
  • the spiral springs are cut out of the wear layer of a silicon wafer by laser cutting.
  • EP 1 422 436 A1 discloses a method for producing spiral springs for the oscillatory system of mechanical clocks made of monocrystalline silicon.
  • DE 101 27 733 A1 discloses a method for producing helical or spiral springs made of crystalline, in particular monocrystalline silicon by a mechanical abrasive machining.
  • DE 10 2008 029 429 A1 discloses a method for producing spiral springs for watch movements, in which the spiral springs are obtained by etching processes with the aid of etching masks from a silicon starting material.
  • EP 2 201 428 A1 discloses a spiral spring which is produced by cutting or etching from a plate-shaped substrate obtained by epitaxial deposition of polycrystalline silicon.
  • the epitaxial deposition of the polycrystalline silicon is carried out using a CVD method.
  • the spiral springs obtained in this way have an excellent vibration behavior and thus cause a high accuracy of the movement.
  • fractures and cracks of the springs often occur, resulting in a high scrap of material.
  • US patent application US 2012/0230159 A1 discloses a temperature-compensated spiral spring.
  • the core of the coil spring is provided at least with a first and a second coating, which are adapted such that the temperature-related frequency variations of the first and second order have no influence on the vibration behavior.
  • the Erfidnung the object is to provide a coil spring for mechanical movements with excellent vibration behavior. This object is achieved by the coil spring according to claim 1.
  • the spiral spring for mechanical movements defines a plane of oscillation, which coincides with the spiral spring.
  • the spiral spring has a spiral spring plane and a spiral spring axis running perpendicular to the spiral spring plane through the center of oscillation of the spiral spring.
  • a core of the spiral spring consists of polycrystalline silicon.
  • the core of the coil spring is constructed in a direction parallel to the coil spring axis of several layers, which consist of polycrystalline silicon.
  • a first, outer layer is of silicon dioxide.
  • each side surface of the core is provided with a layer of silicon dioxide.
  • a last outer layer may consist of silicon dioxide.
  • each of the layers consists of anisotropic silicon crystals.
  • the plurality of layers of polycrystalline silicon are individually connected to each other, wherein each of the layers consists of isotropic silicon crystals.
  • Another way of designing the coil spring is that the multiple layers of polycrystalline silicon are individually interconnected and some of the layers consist of anisotropic silicon crystals and some of the layers of isotropic silicon crystals.
  • the advantage is that individual layers of polycrystalline silicon are successively stacked (laminated or bonded). Thus, it is possible to select the sequence of layers such that a coil spring results in optimum vibration behavior.
  • the present invention provides a helical spring for mechanical movements having a helical spring plane coinciding with the plane of vibration of the helical spring and a spiral spring axis extending perpendicular to the helical spring plane through the center of oscillation of the helical spring.
  • the spiral spring is constructed in a direction parallel to the spiral spring axis of at least five layers, namely of a first, outer layer of silicon dioxide, at least a second layer of polycrystalline silicon and at least a fourth layer of polycrystalline silicon, wherein the second layer and the fourth layer consist of anisotropic silicon crystals, a third layer of polycrystalline silicon disposed between the second layer of polycrystalline silicon and the fourth layer of polycrystalline silicon, the third layer consisting of Consistently isotropic silicon crystals, and a fifth, outer layer of silicon dioxide.
  • substantially isotropic silicon crystals silicon crystals are understood, the minimum and maximum extent in a first and a second spatial direction at most 20% deviate from the mean extent in a third spatial direction, ie at an average extension of 100 in the third spatial direction is at " essentially isotropic silicon crystals "in the context of the present invention, the expansion in the other two spatial directions between 80 and 120.
  • the expansions of the substantially isotropic silicon crystals in the three spatial directions of a maximum of 15% from each other, more preferably at most 10% and most preferably maximum 5%.
  • the basis for the calculation of the percentage deviation is always the value of the mean expansion in the third spatial direction, i. the maximum and the minimum extent are related to the extent in the third spatial direction.
  • the "diameter of the isotropic silicon crystals" is understood to mean their maximum diameter in a spatial direction.
  • anisotropic silicon crystals silicon crystals are understood, whose expansion in a preferred spatial direction is more than 20% greater than the expansions in the other two spatial directions, ie with an extension of 120 in the preferred spatial direction amounts to "anisotropic silicon crystals" in the sense of Preferably, the expansion of the anisotropic silicon crystals in the preferred spatial direction is more than 50% greater than the expansions in the other two spatial directions, more preferably more than 100% larger and most preferably more 200% bigger.
  • the basis for the calculation of the percentage deviation is the value of the expansion in the preferred spatial direction, ie the expansions into the two other spatial directions are related to the expansion in the preferred spatial direction.
  • the "diameter of the anisotropic silicon crystals parallel to the spiral spring plane” is understood to mean their maximum diameter in a spatial direction parallel to the spiral spring plane.
  • the present invention encompasses any type of spiral springs for mechanical movements in which at least two layers of anisotropic silicon crystals separated from one another by a layer of substantially isotropic silicon crystals are arranged between two outer layers of silicon dioxide.
  • the present invention thus encompasses any type of spiral springs for mechanical movements in which a plurality of layers of substantially isotropic silicon crystals and / or anisotropic silicon crystals are arranged between two lateral layers and a first outer layer of silicon dioxide.
  • the layers can be formed by means of the deposition methods known in the art.
  • a lamination of the individual layers is conceivable.
  • the return constant of the coil spring must be as constant as possible.
  • the thickness of the silica coating required for a given cross-section of the coil spring to achieve optimum temperature compensation can be readily calculated by one skilled in the art or simply determined experimentally.
  • the thus calculated or determined layer thicknesses for the silicon dioxide coating are available in tabular form. Usual are coatings with thicknesses of 2 to 8 ⁇ .
  • the spiral spring is constructed in a direction parallel to the spiral spring axis from at least five layers, namely a first layer of silicon dioxide, a second layer of polycrystalline silicon disposed on the first layer of silicon dioxide, the second layer consisting of anisotropic silicon crystals, a third, polycrystalline silicon layer disposed on the second polycrystalline silicon layer, the third layer consisting of substantially isotropic silicon crystals, a fourth polycrystalline silicon layer disposed on the third polycrystalline silicon layer, the fourth layer consisting of anisotropic silicon crystals, and one on the fourth layer of polycrystalline silicon arranged fifth layer of silicon dioxide.
  • the two outer layers of silicon dioxide are formed with complete dissolution of the outer layers of substantially isotropic silicon crystals present before the oxidation.
  • the finished spiral spring are then the two outer layers of silicon dioxide in direct contact with each one layer of anisotropic silicon crystals.
  • a helical spring which is constructed in a direction parallel to the coil spring axis of at least six layers, namely a first outer layer of silicon dioxide, a sixth, arranged on the first layer of silicon dioxide layer of polycrystalline silicon, wherein the sixth layer of substantially isotropic silicon crystals, a second layer of polycrystalline silicon disposed on the sixth layer of polycrystalline silicon, the second layer consisting of anisotropic silicon crystals, a third layer of polycrystalline silicon disposed on the second layer of polycrystalline silicon, the third layer consists of substantially isotropic silicon crystals, a fourth layer of polycrystalline silicon disposed on the third layer of polycrystalline silicon, the fourth layer consisting of anisotropic silicon crystals, and one on the v The fourth layer of polycrystalline silicon arranged fifth outer layer of silicon dioxide.
  • only one of the two outer layers of silicon dioxide with complete dissolution of the present before the oxidation outer layer of substantially isotropic silicon crystals is formed in the method described below in more detail for the preparation of the coil spring.
  • the further outer layers of silicon dioxide in the course of the oxidation no complete dissolution of the outer layer of essentially isotropic silicon crystals present before the oxidation takes place.
  • one of the two outer layers of silicon dioxide is in direct contact with a layer of anisotropic silicon crystals and the other outer layer of silicon dioxide is in direct contact with a layer of substantially isotropic silicon crystals, which then again a layer of anisotropic Silicon crystals follows.
  • the spiral spring is constructed in a direction parallel to the spiral spring axis from at least seven layers, namely a first, outer layer of silicon dioxide, a sixth, arranged on the first layer of silicon dioxide layer of polycrystalline silicon, wherein the sixth layer of essentially isotropic silicon crystals a second layer of polycrystalline silicon disposed on the sixth layer of polycrystalline silicon, the second layer consisting of anisotropic silicon crystals, a third layer of polycrystalline silicon disposed on the second layer of polycrystalline silicon, the third layer consisting of substantially isotropic Silicon crystals, a fourth layer of polycrystalline silicon disposed on the third layer of polycrystalline silicon, the fourth layer consisting of anisotropic silicon crystals, a seventh layer of polycrystalline silicon disposed on the fourth layer of polycrystalline silicon, the seventh layer consisting of substantially isotropic silicon crystals, a fifth outer layer of silicon dioxide disposed on the seventh layer of polycrystalline silicon.
  • the two outer layers of silicon dioxide are formed only with partial dissolution of the outer layers of essentially isotropic silicon crystals present before the oxidation.
  • the two outer layers of silicon dioxide in the course of the oxidation no complete dissolution of the outer layers of substantially isotropic silicon crystals present before the oxidation takes place.
  • both outer layers of silicon dioxide are in direct contact with a layer of substantially isotropic silicon crystals, which are then again followed by a layer of anisotropic silicon crystals.
  • the spiral spring in a direction parallel to the spiral spring axis at least one further consisting of substantially isotropic silicon crystal layer and at least one further consisting of anisotropic silicon crystal layer, wherein the further consisting of substantially isotropic silicon crystal layer between two layers consisting of anisotropic silicon crystals is arranged and the further layer consisting of anisotropic silicon crystals is arranged between two layers consisting of essentially isotropic silicon crystals.
  • the second intermediate layer of essentially isotropic silicon crystals provided according to this embodiment further reduces the stresses in the silicon substrate and reduces damage during the manufacturing process.
  • the spiral spring in a direction parallel to the spiral spring axis N further consisting of substantially isotropic silicon crystals layers and N further consisting of anisotropic silicon crystals layers, each consisting of substantially isotropic silicon crystals layer between two of anisotropic Silicon crystals is arranged existing layers and each further consisting of anisotropic silicon crystals layer between two layers consisting of substantially isotropic silicon crystals is arranged, wherein N ⁇ 200, in particular N ⁇ 150, particularly preferably N ⁇ 100.
  • N 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90.
  • the first and / or the fifth layer of silicon dioxide has a thickness parallel to the spiral spring axis of 2 ⁇ to 8 ⁇ .
  • a thickness of the silicon dioxide layer of 2 ⁇ to 8 ⁇ the temperature dependence of the modulus of elasticity of the coil spring and thus the temperature dependence of the remindholkonstante C can be minimized.
  • the layers consisting of essentially isotropic silicon crystals have a layer thickness parallel to the spiral spring axis of 200 nm to 50 ⁇ m.
  • a layer thickness of 200 nm to 50 ⁇ m has proven to be ideal with regard to the reduction of stresses in the silicon substrate.
  • the layers consisting of anisotropic silicon crystals have a layer thickness parallel to the spiral spring axis of 2 ⁇ m to 300 ⁇ m.
  • a layer thickness of 2 ⁇ to 300 ⁇ has been found to be outstandingly suitable for the prevention of stress in the material and to achieve excellent vibration behavior of the coil spring.
  • the anisotropic silicon crystals have a diameter parallel to the spiral spring plane of 10 nm to 30,000 nm and a height parallel to Spiral spring axis of 0.5 ⁇ to 50 ⁇ on.
  • the anisotropic silicon crystals have a diameter parallel to the spiral spring plane of 20 nm to 5000 nm and a height parallel to the spiral spring axis of 5 ⁇ to 20 ⁇ . Crystals with the dimensions mentioned have proven to be excellent for preventing stresses in the material and for achieving excellent vibration behavior of the coil spring. As will be described below in connection with the method according to the invention, it will not be difficult for a person skilled in the art to control the process parameters in the context of a CVD deposition in such a way that crystals grow in the desired dimensioning.
  • the substantially isotropic silicon crystals have a diameter of 1 nm to 10,000 nm, particularly preferably from 20 nm to 4000 nm, particularly preferably 50 nm to 1000 nm.
  • intermediate layers which are composed of substantially isotropic silicon crystals with a diameter of 1 nm to 10,000 nm, preferably from 20 nm to 4000 nm, particularly preferably from 50 nm to 1000 nm, stresses in the silicon substrate are particularly greatly reduced.
  • the surface of a coil spring axis-containing section plane of the spiral spring from 0.001 mm 2 to 0.01mm 2 and / or the height of the coil spring is parallel to the helical spring axis of 0.05 mm to 0.3 mm.
  • a cross-sectional area and / or a height in the mentioned order of magnitude particularly good properties with respect to the vibration behavior result.
  • the present invention also encompasses a method for producing a spiral spring for mechanical movements comprising the steps of: providing a silicon wafer, wherein the silicon wafer comprises a sacrificial layer of silicon dioxide, performing an LPCVD method for forming a first, on the silicon dioxide sacrificial layer arranged layer of polycrystalline silicon, wherein the first layer consists of substantially isotropic silicon crystals, performing a CVD method for forming a second layer of polycrystalline silicon arranged on the second layer of polycrystalline silicon, wherein the second layer consists of anisotropic silicon crystals, performing a LPCVD method of training a third, on the second Polycrystalline silicon layer of polycrystalline silicon, wherein the third layer consists of substantially isotropic silicon crystals, performing a CVD method for forming a fourth layer of polycrystalline silicon disposed on the third layer of polycrystalline silicon, wherein the fourth layer of anisotropic silicon crystals performing an LPCVD method of forming a fifth layer of polycrystalline silicon disposed on the fourth polycrystalline silicon layer,
  • the process parameters for performing a low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD) process, as well as the process parameters for carrying out a chemical vapor deposition (CVD) process for depositing silicon from the gas phase are known to the person skilled in the art.
  • LPCVD low-pressure chemical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • the structuring of the spiral spring takes place by a person skilled in the known per se material-removing etching or cutting process.
  • the material removal can be carried out, for example, by means of an etching process with the aid of photomasks.
  • the spiral spring is detached from the silicon wafer by dissolving the sacrificial layer of silicon dioxide by means of an etching process. Dry Etching processes using, for example, hydrofluoric acid are well known to those skilled in the art.
  • oxidation carried out after detachment of the spiral spring from the silicon wafer takes place according to a method familiar to the person skilled in the art.
  • a thermal oxidation can be carried out at elevated temperatures.
  • the coil spring Since the oxidation is carried out after the detachment of the spiral spring from the silicon wafer, the coil spring is accessible from all sides, whereby an outer silica surface coating is formed.
  • the first and fifth layers consisting of essentially isotropic silicon crystals which are initially formed by the method according to the invention are at least partially oxidized and thus at least partially dissolved as a layer of polycrystalline silicon or at least partly in a layer Converted to silicon dioxide.
  • the LPCVD method is carried out for a period in which a layer of polycrystalline silicon with a thickness parallel to the coil spring axis of 0.2 ⁇ to 1 ⁇ forms.
  • LPCVD process relatively low Schichtabscheideraten of about 20 nm / min are connected.
  • layer thicknesses of 0.2 ⁇ to 1 ⁇ are thus within acceptable process times to achieve.
  • the CVD method is preferably carried out for a period in which a layer of polycrystalline silicon with a thickness parallel to the spiral spring axis of 2 ⁇ to 300 ⁇ forms.
  • layer deposition rates of 1 ⁇ m / ⁇ to 5 ⁇ / ⁇ are achieved in CVD processes.
  • preferred layer thicknesses of 2 ⁇ to 300 ⁇ are thus within acceptable process times to achieve.
  • the oxidation is carried out after the detachment of the spiral spring of the silicon wafer for a period in which forms a layer of silicon dioxide with a thickness parallel to the spiral spring axis of 2 ⁇ to 8 ⁇ .
  • the CVD process is carried out at a process temperature between 600 ° C and 1200 ° C, more preferably between 960 ° C and 1060 ° C.
  • layers of polycrystalline silicon are formed, which are composed of anisotropic silicon crystals having a diameter parallel to the spiral spring plane of 10 nm to 30,000 nm and a height parallel to the spiral spring axis of 0.5 ⁇ m to 50 ⁇ m. These have excellent properties with respect to the prevention of stress and to achieve excellent vibration behavior of the coil spring.
  • the CVD process is carried out at a process pressure of between 2.7-10 3 Pa and 13.3-10 3 Pa.
  • layers of polycrystalline silicon are formed, which are composed of anisotropic silicon crystals with a diameter parallel to the spiral spring plane of 10 nm to 30000 nm and a height parallel to the coil spring axis of 0.5 ⁇ to 50 ⁇ . These have excellent properties with respect to the prevention of stress and to achieve excellent vibration behavior of the coil spring.
  • the LPCVD process and / or the CVD process are carried out using silane or dichlorosilane as the process gas.
  • the desired layers form within relatively short process times.
  • the CVD method is preferred with a gas flow increased compared to the LPCVD method, an increased process pressure and an increased pressure Process temperature performed.
  • a gas flow increased compared to the LPCVD method, an increased process pressure and an increased pressure Process temperature performed.
  • the CVD method is performed at process parameters that lead to the deposition of a layer thickness of 1 ⁇ to 5 ⁇ per minute.
  • layer thicknesses of 2 ⁇ to 300 ⁇ are thus within acceptable process times to achieve.
  • the present invention also includes a helical spring for a mechanical watch, wherein the helical spring is made according to one of the methods described above.
  • coil springs according to the invention can also be produced by alternative methods.
  • directional growth such as e.g. Epitaxy or recrystallization e.g. by laser or crystal growing.
  • the present invention includes a mechanical watch with one of the coil springs described above.
  • Fig. 1 is a perspective view of a coil spring according to the invention
  • Fig. 4 is a section through the coil spring of Figure 1 during the
  • Fig. 6 is a section through the coil spring of Figure 1, wherein the core of
  • Spiral spring is constructed according to another embodiment in individual layers.
  • Fig. 7 is a section through the coil spring of Figure 1, wherein the core of
  • Spiral spring is constructed according to another embodiment in individual layers.
  • the coil spring 2 has a coincident with the vibration plane of the coil spring 2 spiral spring plane E and a perpendicular to the spiral spring plane E, through the center of oscillation of the coil spring 2 extending, coil spring axis A.
  • the coil spring 2 has an inner coil spring attachment portion S.
  • the outer spring holding point H of the coil spring 2 serves for the fixed connection of the spiral spring 2 with a circuit board or a bearing plate.
  • the coil spring 2 has a plurality of turns W.
  • FIG. 1 A cross section through a turn W of the spiral spring 2 is shown in FIG.
  • the core 4 of the coil spring 2 is made of polycrystalline silicon.
  • the core 4 can be completely surrounded by silicon dioxide in a thermal oxidation process.
  • a first outer layer 5 of silicon dioxide is provided.
  • the side surfaces 8 are provided with a layer 7 of silicon dioxide.
  • Other arrangements of the layers of silicon dioxide are within the reach of those skilled in the art.
  • FIGS. 3 and 4 each show a section through a turn W of the spiral spring 2 of FIG. 1, wherein the spiral spring axis A is a component of the cutting plane and thus the cutting plane is perpendicular to the spiral spring plane E.
  • the thicknesses of the individual layers (4i, 4 2 , 4 3 , 4 N ) are not reproduced to scale in FIGS. 3 and 4, so that it is not possible to deduce the thickness of one layer shown on the drawing to the thickness of another layer.
  • FIG. 4 shows a state of the coil spring 2 during the manufacturing process.
  • the serving as a carrier silicon wafer 1 is provided with a sacrificial layer 9 of silicon dioxide.
  • a 0.4 ⁇ thick first layer 4i of polycrystalline silicon is deposited on the sacrificial layer 9.
  • This first layer 4i consists of essentially isotropic silicon crystals 12, which in the exemplary embodiment shown have a diameter of 100 nm to 400 nm.
  • the LPCVD process is carried out with silane as the process gas at a pressure of 0.6-10 3 Pa and a temperature of 1000 ° C. Due to the deposition rate of about 200 nm / min, the first layer 4i builds up within about 2 minutes.
  • a CVD process is performed.
  • a process pressure of 5.7 - 10 3 Pa and a process temperature of 1060 ° C.
  • a deposition rate of about 2 ⁇ per minute sets.
  • a second layer Ai of polycrystalline silicon arranged on the first layer 4i of polycrystalline silicon is formed with a thickness parallel to the spiral spring axis A of 40 ⁇ m.
  • the second layer Ai of polycrystalline silicon consists of anisotropic silicon crystals 10, wherein the anisotropic silicon crystals 10 in the illustrated embodiment have a diameter parallel to the spiral spring plane E of 50 nm to 1000 nm and a height parallel to the coil spring axis A of 5 ⁇ to 30 ⁇ .
  • the parameters gas flow, process pressure and process temperature are set to the values for the method described above in connection with the formation of the first layer 4i and an LPCVD method for forming a third 4 3 disposed on the second 4 2 layer of polycrystalline silicon , 4 ⁇ thick layer made of polycrystalline silicon.
  • This third layer 4 3 again consists of essentially isotropic silicon crystals 12 with a diameter of 100 nm to 400 nm.
  • the fourth layer 4 4 of polycrystalline silicon also consists of anisotropic silicon crystals 10, wherein the anisotropic silicon crystals 10 in the illustrated embodiment have a diameter parallel to the spiral spring plane E of 50 nm to 1000 nm and a height parallel to the coil spring axis A of 5 ⁇ to 30 ⁇ .
  • the spiral spring 2 connected to the silicon wafer 1 has the shape of the core 4 shown in FIG.
  • the structuring of the coil spring 2 by a material-removing chemical etching using photomasks the detachment of the coil spring 2 from the silicon wafer 1 by dissolving the sacrificial layer 9 of silicon dioxide again by means of a chemical etching process, and the implementation of a thermal oxidation to Generation of a silica surface coating.
  • the thermal oxidation is carried out for a period of 5 minutes, so that a first outer layer 5 and a last outer layer 6 of silicon dioxide with a layer thickness of about 2.5 ⁇ form.
  • the first layer 4i consisting of essentially isotropic silicon crystals 12 completely dissolves.
  • a spiral spring 2 according to the invention for mechanical movements is shown in FIG.
  • the spiral spring 2 is constructed in a direction parallel to the coil spring axis A of three layers 4i, 4 2 , 4 3 , made of polycrystalline silicon, namely from a 2.5 ⁇ thick first outer layer 5 of silicon dioxide, one on the first outer layer fifth arranged from silicon dioxide, 40 ⁇ thick, first layer 4i of polycrystalline silicon, wherein the first layer 4i of anisotropic silicon crystals 10, wherein the anisotropic silicon crystals 10 has a diameter parallel to the spiral spring plane E of 50 nm to 1000 nm and a height parallel to the coil spring axis A.
  • the illustrated coil spring 2 can be manufactured with minimal loss through fractures and cracks of consistently excellent quality.
  • Figure 5 shows an embodiment of the invention the coil spring 2.
  • the core 4 of the coil spring 2 is made of polycrystalline silicon and is in a direction parallel to the helical spring axis A of multiple layers of polycrystalline silicon 4i, 4 2, 4 3, ..., 4N constructed ,
  • the first layer 4i of polycrystalline silicon rests on the sacrificial layer 9, which itself is formed on the wafer 1.
  • the plurality of polycrystalline silicon layers 4 4 2 , 4 3 , 4 N are connected together. The bonding can be carried out, for example, in lamination processes.
  • Each of the layers 4i, 4 2 , 4 3 , 4 N consists of anisotropic silicon crystals 10.
  • 4 1 , 4 2 , 4 3 , 4 N made of polycrystalline silicon from isotropic silicon crystals 12.
  • 4 2 , 4 3 , 4 N be made of polycrystalline silicon alternately. Any sequence of layers of isotropic silicon crystals 12 and layers of anisotropic silicon crystals 10 may be selected. LIST OF REFERENCE NUMBERS
  • anisotropic silicon crystals isotropic silicon crystals

Abstract

Es ist eine Spiralfeder (2) für mechanische Uhrwerke offenbart. Die Spiralfeder (2) weist eine mit der Schwingungsebene der Spiralfeder (2) zusammenfallende Spiralfederebene (E) und eine senkrecht zu der Spiralfederebene (E), durch das Schwingungszentrum der Spiralfeder (2) verlaufende Spiralfederachse (A) auf. Ein Kern (4) der Spiralfeder (2) besteht aus polykristallinem Silizium, wobei der Kern (4) der Spiralfeder (2) in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse (A) aus mehreren Schichten aus polykristallinem Silizium (41, 42, 43, …, 4N) aufgebaut ist und eine erste, äußere Schicht (5) aus Siliziumdioxid ist.

Description

Spiralfeder für mechanische Uhrwerke und Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder für mechanische Uhrwerke
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Spiralfeder für mechanische Uhrwerke. Die Spiralfeder hat eine mit der Schwingungsebene der Spiralfeder zusammenfallende Spiralfederebene. Ferner ist eine senkrecht zu der Spiralfederebene, durch das Schwingungszentrum der Spiralfeder verlaufende, Spiralfederachse vorgesehen. Die Spiralfeder besteht aus einem Kern aus polykristallinem Silizium.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder für mechanische Uhrwerke.
Stand der Technik
Ein mechanisches Uhrwerk weist als zentrale Bestandteile ein Federhaus mit Zugfeder, ein Räderwerk sowie eine Hemmung und ein Schwingsystem (Unruh) auf. Dabei stellt das Federhaus mit Zugfeder den Antrieb des Uhrwerks zur Verfügung. Die Kraftübertragung erfolgt beginnend beim Federhaus über das Räderwerk zum Ankerrad, das einen Bestandteil der Hemmung darstellt. Das Räderwerk treibt die Zeiger der Uhr an und übersetzt die in der Zugfeder gespeicherte Federkraft in Drehbewegungen verschiedener Geschwindigkeiten, wodurch Sekunden, Minuten, Stunden usw. angezeigt werden.
Die Unruh umfasst einen Schwingkörper, welcher mittels einer Unruhwelle schwenkbar um eine Drehachse gelagert ist. Ferner ist eine Spiralfeder vorgesehen, die zusammen mit der Masse des Schwingkörpers das schwingungsfähige und taktgebende System bildet. Schließlich umfasst die Unruh eine Vorrichtung zur Gangregulierung, wie beispielsweise einen Rücker, mit der die Schwingeigenschaft der Spiralfeder verändert und damit der gewünschte korrekte Gang der Uhr eingestellt werden kann.
Der exakte Gang der Uhr basiert auf dem möglichst gleichmäßigen Hin- und Herschwingen der Spiralfeder um ihre Gleichgewichtsposition. Dabei greift der Anker abwechselnd hemmend und freigebend so in das Ankerrad ein, dass die Bewegung stets in gleichem Zeitmaß pulsiert. Ohne stetige Energiezufuhr würde die Unruh jedoch ihre Bewegung einstellen. Deshalb wird kontinuierlich die vom Federhaus kommende Kraft über das Räderwerk auf die Unruh übertragen. Die Hemmung leitet die Kraft über Ankerrad und Anker an die Unruh weiter.
Beim Verlassen seiner Gleichgewichtsposition bewirkt der Schwingkörper der Unruh ein Vorspannen der Spiralfeder, wodurch ein Rückholdrehmoment erzeugt wird, das die Spiralfeder, nach ihrer Freigabe durch den Anker, zur Rückkehr in ihre Gleichgewichtsposition veranlasst. Dadurch wird dem Schwingkörper eine gewisse kinetische Energie verliehen, weshalb er über seine Gleichgewichtsposition hinausschwingt, bis ihn das Gegendrehmoment der Spiralfeder anhält und zum Rückschwingen zwingt. Die Spiralfeder reguliert somit die Schwingungsperiode der Unruh und damit den Gang der Uhr.
Spiralfedern mit möglichst konstantem und dauerhaft unverändertem Schwingverhalten sind daher von enormer Wichtigkeit für den Bau mechanischer Uhren. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von Spiralfedern bekannt.
So kann beispielsweise die Spiralfeder aus speziellen Stahllegierungen gefertigt werden, und zwar in der Weise, dass ein aus der Stahllegierung erzeugter Draht durch Walz- und Ziehvorgänge in einen rechteckigen Querschnitt verformt wird. Aus diesem Draht mit rechteckigem Querschnitt wird nachfolgend die Spiralfeder durch Wickeln hergestellt.
Die DE 10 2008 061 182 A1 offenbart die Herstellung von Spiralfedern aus Silizium, insbesondere aus polykristallinem Silizium sowie aus Siliziumcarbid. Die Spiralfedern werden durch Laserschneiden aus der Nutzschicht eines Silizium- Wafers ausgeschnitten.
Aus der EP 1 422 436 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Spiralfedern für das Schwingsystem von mechanischen Uhren aus einkristallinem Silizium bekannt.
Die DE 101 27 733 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Schrauben- oder Spiralfedern aus kristallinem, insbesondere einkristallinem Silizium durch eine mechanische abtragende Bearbeitung. Die DE 10 2008 029 429 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Spiralfedern für Uhrwerke, bei dem die Spiralfedern durch Ätzverfahren mit Hilfe von Ätzmasken aus einem Silizium-Ausgangsmaterial gewonnen werden.
Schließlich ist aus der EP 2 201 428 A1 eine Spiralfeder bekannt, die durch Ausschneiden oder Ätzen aus einem durch epitaktisches Abscheiden von polykristallinem Silizium erhaltenen plattenförmigen Substrat hergestellt wird. Das epitaktische Abscheiden des polykristallinen Siliziums erfolgt dabei mit Hilfe eines CVD-Verfahrens. Die so erhaltenen Spiralfedern weisen ein ausgezeichnetes Schwingverhalten auf und bewirken damit eine hohe Ganggenauigkeit des Uhrwerks. Allerdings kommt es bei der Herstellung der Spiralfedern häufig zu Brüchen und Rissen der Federn, was einen hohen Materialausschuss nach sich zieht.
Die US-Patentanmeldung US 2012/0230159 A1 offenbart eine temperaturkompensierte Spiralfeder. Der Kern der Spiralfeder ist mindestens mit einer ersten und einer zweiten Beschichtung versehen, die derart angepasst werden, dass die von der Temperatur bedingten Frequenzvariationen erster und zweiter Ordnung keinen Einfluss auf das Schwingverhalten haben.
Die Herstellung von Spiralfedern mit ausgezeichnetem Schwingverhalten bei gleichzeitig möglichst geringen Materialverlusten durch Ausschuss stellt im Bereich der mechanischen Uhrwerke ein zentrales Ziel dar.
Darstellung der Erfindung
Der Erfidnung liegt die Aufgabe zugrunde eine Spiralfeder für mechanische Uhrwerke mit ausgezeichnetem Schwingverhalten bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Spiralfeder gemäß Anspruch 1 gelöst.
Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder bereitzustellen, durch das Materialverluste durch Ausschuss vermindert werden. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder gemäß Anspruch 17 gelöst. Weitere vorteilhafte Aspekte, Details und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie aus den Figuren. Die Spiralfeder für mechanische Uhrwerke definiert eine Schwingungsebene, die mit der Spiralfeder zusammenfällt. Ferner weist die Spiralfeder eine Spiralfederebene und eine senkrecht zu der Spiralfederebene, durch das Schwingungszentrum der Spiralfeder verlaufende, Spiralfederachse auf. Ein Kern der Spiralfeder besteht aus polykristallinem Silizium. Der Kern der Spiralfeder ist in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse aus mehreren Schichten, die aus polykristallinem Silizium bestehen, aufgebaut. Eine erste, äußere Schicht ist aus Siliziumdioxid.
Gemäß einer Ausführungsform ist jede Seitenfläche des Kerns mit einer Schicht aus Siliziumdioxid versehen. Ebenso kann eine letzte äußere Schicht aus Siliziumdioxid bestehen.
Die mehreren Schichten aus polykristallinem Silizium sind einzeln miteinander verbunden und gemäß einer möglichen Ausführungsform besteht jede der Schichten aus anisotropen Siliziumkristallen.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform sind die mehreren Schichten aus polykristallinem Silizium einzeln miteinander verbunden, wobei jede der Schichten aus isotropen Siliziumkristallen besteht.
Eine weitere Möglichkeit der Ausgestaltung der Spiralfeder ist, dass die mehreren Schichten aus polykristallinem Silizium einzeln miteinander verbunden sind und einige der Schichten aus anisotropen Siliziumkristallen und einige der Schichten isotropen Siliziumkristallen bestehen.
Der Vorteil ist, dass einzelne Schichten aus polykristallinem Silizium nacheinander gestapelt (laminiert bzw. verbunden) werden. Somit ist es möglich, die Abfolge der Schichten derart auszuwählen, dass eine Spiralfeder mit einem optimalen Schwingverhalten resultiert.
Als eine weitere Ausführungsform, stellt die vorliegende Erfindung eine Spiralfeder für mechanische Uhrwerke mit einer mit der Schwingungsebene der Spiralfeder zusammenfallenden Spiralfederebene und einer senkrecht zu der Spiralfederebene, durch das Schwingungszentrum der Spiralfeder verlaufenden Spiralfederachse zur Verfügung. Die Spiralfeder ist in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse aus zumindest fünf Schichten aufgebaut, nämlich aus einer ersten, äußeren Schicht aus Siliziumdioxid, zumindest einer zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium und zumindest einer vierten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die zweite Schicht und die vierte Schicht aus anisotropen Siliziumkristallen bestehen, einer dritten, zwischen der zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium und der vierten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die dritte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen besteht, und einer fünften, äußeren Schicht aus Siliziumdioxid.
Unter „im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen" werden Siliziumkristalle verstanden, deren minimale und maximale Ausdehnung in eine erste und eine zweite Raumrichtung maximal 20% von der mittleren Ausdehnung in eine dritte Raumrichtung abweichen, d.h. bei einer mittleren Ausdehnung von 100 in die dritte Raumrichtung beträgt bei „im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen" im Sinne der vorliegenden Erfindung die Ausdehnung in die beiden anderen Raumrichtungen zwischen 80 und 120. Bevorzugt weichen die Ausdehnungen der im Wesentlichen isotropen Siliziumkristalle in die drei Raumrichtungen maximal 15% voneinander ab, besonders bevorzugt maximal 10% und insbesondere bevorzugt maximal 5%. Als Basis für die Berechnung der prozentualen Abweichung dient immer der Wert der mittleren Ausdehnung in die dritte Raumrichtung, d.h. die maximale und die minimale Ausdehnung werden bezogen auf die Ausdehnung in die dritte Raumrichtung.
Unter dem „Durchmesser der isotropen Siliziumkristalle" wird deren maximaler Durchmesser in eine Raumrichtung verstanden.
Unter „anisotropen Siliziumkristallen" werden Siliziumkristalle verstanden, deren Ausdehnung in eine bevorzugte Raumrichtung mehr als 20% größer, ist als die Ausdehnungen in die beiden anderen Raumrichtungen, d.h. bei einer Ausdehnung von 120 in die bevorzugte Raumrichtung beträgt bei„anisotropen Siliziumkristallen" im Sinne der vorliegenden Erfindung die Ausdehnung in die beiden anderen Raumrichtungen maximal 100. Bevorzugt ist die Ausdehnung der anisotropen Siliziumkristalle in die bevorzugte Raumrichtung mehr als 50% größer, als die Ausdehnungen in die beiden anderen Raumrichtungen, insbesondere bevorzugt mehr als 100% größer und ganz besonders bevorzugt mehr also 200% größer. Als Basis für die Berechnung der prozentualen Abweichung dient der Wert der Ausdehnung in die bevorzugte Raumrichtung, d.h. die Ausdehnungen in die beiden anderen Raumrichtungen werden bezogen auf die Ausdehnung in die bevorzugte Raumrichtung.
Unter dem „Durchmesser der anisotropen Siliziumkristalle parallel zur Spiralfederebene" wird deren maximaler Durchmesser in eine Raumrichtung parallel zur Spiralfederebene verstanden.
Wie bereits erwähnt, kommt es bei der Herstellung der Spiralfedern häufig zu Brüchen und Rissen der Federn, was einen hohen Materialausschuss nach sich zieht. Es kann vermutet werden, dass diese Brüche durch Spannungen im Silizium- Substrat bewirkt werden, die sich während des epitaktischen Abscheidens des polykristallinen Siliziums aufbauen. Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, dass diese Spannungen deutlich vermindert werden können, wenn die Spiralfeder eine Zwischenschicht aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen aufweist, die zwischen zwei Schichten aus anisotropen Siliziumkristallen angeordnet ist. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Spiralfeder aus zumindest fünf Schichten wird durch zwei äußere Schichten aus Siliziumdioxid vervollständigt, durch die die Empfindlichkeit der Spiralfeder gegenüber Temperaturschwankungen vermindert wird. In ihrer allgemeinsten Form umfasst die vorliegende Erfindung also jede Art von Spiralfedern für mechanische Uhrwerke, bei der zwischen zwei äußeren Schichten aus Siliziumdioxid zumindest zwei durch eine Schicht aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen voneinander getrennte Schichten aus anisotropen Siliziumkristallen angeordnet sind.
Ebenso hat sich überraschenderweise gezeigt, dass diese Spannungen deutlich vermindert, wenn die Spiralfeder aus einem Schichtsystem ohne die Zwischenschicht aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen hergestellt ist. Es können beliebige Schichtabfolgen erzeugt werden. In ihrer allgemeinsten Form umfasst die vorliegende Erfindung also jede Art von Spiralfedern für mechanische Uhrwerke, bei der zwischen zwei seitlichen Schichten und einer ersten äußeren Schicht aus Siliziumdioxid mehrere Schichten aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen und/oder anisotropen Siliziumkristallen angeordnet sind. Die Schichten können mittels der im Stand der Technik bekannten Abscheideverfahren ausgebildet werden. Ebenso ist ein Laminieren der einzelnen Schichten denkbar. Um ein möglichst konstantes Schwingverhalten der Spiralfeder und damit eine hohe und möglichst konstante Ganggenauigkeit des Uhrwerks zu erreichen, muss die Rückhol konstante der Spiralfeder möglichst konstant sein. Zur Minimierung der Temperaturabhängigkeit der Rückholkonstante wird im Falle von Spiralfedern aus Silizium die Tatsache ausgenutzt, dass Siliziumdioxid einen dem Silizium entgegengesetzten Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls aufweist. Durch eine Beschichtung einer Silizium-Spiralfeder mit einem Überzug aus Siliziumdioxid kann so die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls der Spiralfeder und damit die Temperaturabhängigkeit der Rückholkonstante C minimiert werden. Dadurch kann die Empfindlichkeit der Spiralfeder gegenüber Temperaturschwankungen auf ein Minimum reduziert werden.
Die Dicke der Beschichtung aus Siliziumdioxid, die für einen gegebenen Querschnitt der Spiralfeder erforderlich ist, um eine optimale Temperaturkompensation zu erreichen, kann vom Fachmann problemlos berechnet oder einfach experimentell bestimmt werden. Die so berechneten bzw. bestimmten Schichtdicken für den Siliziumdioxid-Überzug sind tabellarisch verfügbar. Üblich sind Beschichtungen mit Dicken von 2 bis 8 μηι.
Bevorzugt ist die Spiralfeder in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse aus zumindest fünf Schichten aufgebaut, nämlich aus einer ersten Schicht aus Siliziumdioxid, einer auf der ersten Schicht aus Siliziumdioxid angeordneten zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die zweite Schicht aus anisotropen Siliziumkristallen besteht, einer dritten, auf der zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die dritte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen besteht, einer auf der dritten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten vierten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die vierte Schicht aus anisotropen Siliziumkristallen besteht, und einer auf der vierten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten fünften Schicht aus Siliziumdioxid.
In dieser Ausführungsform werden in dem nachfolgend noch näher beschriebenen Verfahren zur Herstellung der Spiralfeder die beiden äußeren Schichten aus Siliziumdioxid unter vollständiger Auflösung der vor der Oxidation anwesenden äußeren Schichten aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen gebildet. In der fertigen Spiralfeder stehen dann die beiden äußeren Schichten aus Siliziumdioxid in direktem Kontakt mit jeweils einer Schicht aus anisotropen Siliziumkristallen.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Spiralfeder, die in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse aus zumindest sechs Schichten aufgebaut ist, nämlich aus einer ersten, äußeren Schicht aus Siliziumdioxid, einer sechsten, auf der ersten Schicht aus Siliziumdioxid angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die sechste Schicht aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen besteht, einer auf der sechsten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die zweite Schicht aus anisotropen Siliziumkristallen besteht, einer dritten, auf der zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die dritte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen besteht, einer auf der dritten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten vierten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die vierte Schicht aus anisotropen Siliziumkristallen besteht, und einer auf der vierten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten fünften, äußeren Schicht aus Siliziumdioxid.
In dieser Ausführungsform wird in dem nachfolgend noch näher beschriebenen Verfahren zur Herstellung der Spiralfeder nur eine der beiden äußeren Schichten aus Siliziumdioxid unter vollständiger Auflösung der vor der Oxidation anwesenden äußeren Schicht aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen gebildet. Bei der Bildung der weiteren äußeren Schichten aus Siliziumdioxid erfolgt im Laufe der Oxidation keine vollständige Auflösung der vor der Oxidation anwesenden äußeren Schicht aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen. In der fertigen Spiralfeder steht dann eine der beiden äußeren Schichten aus Siliziumdioxid in direktem Kontakt mit einer Schicht aus anisotropen Siliziumkristallen und die andere äußere Schicht aus Siliziumdioxid steht in direktem Kontakt mit einer Schicht aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen, auf welche dann wieder eine Schicht aus anisotropen Siliziumkristallen folgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Spiralfeder in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse aus zumindest sieben Schichten aufgebaut, nämlich aus einer ersten, äußeren Schicht aus Siliziumdioxid, einer sechsten, auf der ersten Schicht aus Siliziumdioxid angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die sechste Schicht aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen besteht, einer auf der sechsten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die zweite Schicht aus anisotropen Siliziumkristallen besteht, einer dritten, auf der zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die dritte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen besteht, einer auf der dritten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten vierten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die vierte Schicht aus anisotropen Siliziumkristallen besteht, einer siebten, auf der vierten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die siebte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen besteht, einer auf der siebten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten fünften, äußeren Schicht aus Siliziumdioxid.
In dieser Ausführungsform werden in dem nachfolgend noch näher beschriebenen Verfahren zur Herstellung der Spiralfeder die beiden äußeren Schichten aus Siliziumdioxid nur unter teilweiser Auflösung der vor der Oxidation anwesenden äußeren Schichten aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen gebildet. Bei der Bildung der beiden äußeren Schichten aus Siliziumdioxid erfolgt im Laufe der Oxidation keine vollständige Auflösung der vor der Oxidation anwesenden äußeren Schichten aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen. In der fertigen Spiralfeder stehen dann beide äußeren Schichten aus Siliziumdioxid in direktem Kontakt mit einer Schicht aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen, auf welche dann wieder jeweils eine Schicht aus anisotropen Siliziumkristallen folgt.
Bevorzugt weist die Spiralfeder in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse zumindest eine weitere aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen bestehende Schicht und zumindest eine weitere aus anisotropen Siliziumkristallen bestehende Schicht auf, wobei die weitere aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen bestehende Schicht zwischen zwei aus anisotropen Siliziumkristallen bestehenden Schichten angeordnet ist und die weitere aus anisotropen Siliziumkristallen bestehende Schicht zwischen zwei aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen bestehenden Schichten angeordnet ist. Durch die gemäß dieser Ausführungsform vorgesehene zweite Zwischenschicht aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen werden die Spannungen im Silizium-Substrat weiter vermindert und Beschädigungen während des Herstellungsprozesses reduziert. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Spiralfeder in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse N weitere aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen bestehende Schichten und N weitere aus anisotropen Siliziumkristallen bestehende Schichten auf, wobei jede weitere aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen bestehende Schicht zwischen zwei aus anisotropen Siliziumkristallen bestehenden Schichten angeordnet ist und jede weitere aus anisotropen Siliziumkristallen bestehende Schicht zwischen zwei aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen bestehenden Schichten angeordnet ist, wobei N < 200, insbesondere N < 150, besonders bevorzugt N < 100 ist. Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, gemäß denen N = 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1 1 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 ist. Durch weitere Zwischenschichten aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen werden die Spannungen im Silizium-Substrat zusätzlich vermindert und Beschädigungen während des Herstellungsprozesses praktisch auf Null reduziert.
Bevorzugt weist die erste und/oder die fünfte Schicht aus Siliziumdioxid eine Dicke parallel zur Spiralfederachse von 2 μηι bis 8 μηι auf. Durch eine Dicke der Siliziumdioxid-Schicht von 2 μηι bis 8 μηι kann die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls der Spiralfeder und damit die Temperaturabhängigkeit der Rückholkonstante C minimiert werden.
Besonders bevorzugt weisen die aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen bestehenden Schichten eine Schichtdicke parallel zur Spiralfederachse von 200 nm bis 50 μηι auf. Eine Schichtdicke von 200 nm bis 50 μηι hat sich als ideal in Bezug auf die Verminderung von Spannungen in dem Silizium-Substrat herausgestellt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die aus anisotropen Siliziumkristallen bestehenden Schichten eine Schichtdicke parallel zur Spiralfederachse von 2 μηι bis 300 μηι auf. Eine Schichtdicke von 2 μηι bis 300 μηι hat sich als hervorragend geeignet zur Verhinderung von Spannungen im Material und zum Erreichen eines ausgezeichneten Schwingverhaltens der Spiralfeder herausgestellt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die anisotropen Siliziumkristalle einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene von 10 nm bis 30000 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse von 0,5 μηι bis 50 μηι auf. Insbesondere bevorzugt weisen die anisotropen Siliziumkristalle einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene von 20 nm bis 5000 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse von 5 μηι bis 20 μηι auf. Kristalle mit den genannten Abmessungen haben sich als ausgezeichnet geeignet zur Verhinderung von Spannungen im Material und zum Erreichen eines ausgezeichneten Schwingverhaltens der Spiralfeder herausgestellt. Wie nachfolgend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren noch beschrieben wird, stellt es für den Fachmann keine Schwierigkeit dar, im Rahmen einer CVD-Abscheidung die Prozessparameter so zu steuern, dass Kristalle in der gewünschten Dimensionierung aufwachsen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die im Wesentlichen isotropen Siliziumkristalle einen Durchmesser von 1 nm bis 10000 nm, besonders bevorzugt von 20 nm bis 4000 nm, insbesondere bevorzugt 50 nm bis 1000 nm auf. Durch Zwischenschichten, die aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen mit einem Durchmesser von 1 nm bis 10000 nm, bevorzugt von 20 nm bis 4000 nm, insbesondere bevorzugt von 50 nm bis 1000 nm aufgebaut sind, werden Spannungen im Silizium-Substrat besonders stark vermindert.
Bevorzugt beträgt die Fläche einer die Spiralfederachse beinhaltenden Schnittebene der Spiralfeder von 0,001 mm2 bis 0,01 mm2 und/oder die Höhe der Spiralfeder parallel zur Spiralfederachse von 0,05 mm bis 0,3 mm. Durch eine Querschnittsfläche und/oder eine Höhe in der genannten Größenordnung ergeben sich besonders gute Eigenschaften hinsichtlich des Schwingverhaltens.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder für mechanische Uhrwerke mit den Schritten: Bereitstellen eines Silizium-Wafers, wobei der Silizium-Wafer eine Opferschicht aus Siliziumdioxid aufweist, Durchführung eines LPCVD-Verfahrens zur Ausbildung einer ersten, auf der Siliziumdioxid-Opferschicht angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die erste Schicht aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen besteht, Durchführung eines CVD-Verfahrens zur Ausbildung einer auf der ersten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die zweite Schicht aus anisotropen Siliziumkristallen besteht, Durchführung eines LPCVD-Verfahrens zur Ausbildung einer dritten, auf der zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die dritte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen besteht, Durchführung eines CVD-Verfahrens zur Ausbildung einer auf der dritten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten vierten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die vierte Schicht aus anisotropen Siliziumkristallen besteht, Durchführung eines LPCVD-Verfahrens zur Ausbildung einer fünften, auf der vierten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die fünfte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen besteht, Strukturierung der Spiralfeder durch ein materialabtragendes Ätz- oder Schneideverfahren, Ablösen der Spiralfeder von dem Silizium-Wafer durch Auflösen der Opferschicht aus Siliziumdioxid mit Hilfe eines Ätzverfahrens, Durchführung einer Oxidation zur Erzeugung einer zumindest eine sechste und eine siebte Schicht aus Siliziumdioxid umfassenden Siliziumdioxid- Oberflächenbeschichtung der Spiralfeder, wobei die Ausbildung der sechsten Schicht aus Siliziumdioxid unter Auflösung zumindest eines Teils der ersten aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen bestehenden Schicht erfolgt und die Ausbildung der siebten Schicht aus Siliziumdioxid unter Auflösung zumindest eines Teils der fünften aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen bestehenden Schicht erfolgt.
Grundsätzlich sind die Prozessparameter für die Durchführung eines Niederdruck Chemical Vapor Deposition (LPCVD) Verfahrens ebenso wie die Prozessparameter für die Durchführung eines Chemical Vapor Deposition (CVD) Verfahrens zur Abscheidung von Silizium aus der Gasphase dem Fachmann bekannt. Durch Variation von Druck und Temperatur in der jeweiligen Reaktorkammer können Geschwindigkeit und Art der Abscheidung des Siliziums und damit die Kristallbildung auf der Siliziumdioxid-Opferschicht des Silizium-Wafers gesteuert werden.
Die Strukturierung der Spiralfeder erfolgt durch ein dem Fachmann an sich bekanntes materialabtragendes Ätz- oder Schneideverfahren. Der Materialabtrag kann beispielsweise durch ein Ätzverfahren mit Hilfe von Photomasken vorgenommen werden.
Nachfolgend wird die Spiralfeder von dem Silizium-Wafer durch Auflösen der Opferschicht aus Siliziumdioxid mit Hilfe eines Ätzverfahrens abgelöst. Chemische Ätzverfahren unter Verwendung von beispielsweise Flusssäure sind dem Fachmann allgemein bekannt.
Die nach dem Ablösen der Spiralfeder von dem Silizium-Wafer durchgeführte Oxidation erfolgt nach einem dem Fachmann geläufigen Verfahren. So kann beispielsweise eine thermische Oxidation bei erhöhten Temperaturen vorgenommen werden.
Da die Oxidation nach dem Ablösen der Spiralfeder von dem Silizium-Wafer durchgeführt wird, ist die Spiralfeder von allen Seiten zugänglich, wodurch sich eine äußere Siliziumdioxid-Oberflächenbeschichtung ausbildet. Im Laufe der Ausbildung der Siliziumdioxid-Schicht werden die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst ausgebildete erste und fünfte, aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen bestehenden Schichten zumindest teilweise oxidiert und damit zumindest zum Teil als Schicht aus polykristallinem Silizium aufgelöst bzw. zumindest zum Teil in eine Schicht aus Siliziumdioxid umgewandelt.
Wrd die Oxidation nach dem Ablösen der Spiralfeder von dem Silizium-Wafer für einen längeren Zeitraum durchgeführt, so erfolgt eine vollständige Auflösung der zunächst ausgebildeten ersten und/oder fünften, aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen bestehenden Schichten. Eine oder beide der Schichten werden dadurch in Schichten aus Siliziumdioxid umgewandelt.
Bevorzugt wird das LPCVD-Verfahren für einen Zeitraum ausgeführt, in dem sich eine Schicht aus polykristallinem Silizium mit einer Dicke parallel zur Spiralfederachse von 0,2 μηι bis 1 μηι ausbildet. Mit LPCVD-Verfahren sind relativ niedrige Schichtabscheideraten von ca. 20 nm/min verbunden. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugten Schichtdicken von 0,2 μηι bis 1 μηι sind somit innerhalb akzeptabler Prozesszeiten zu erreichen.
Das CVD-Verfahren wird bevorzugt für einen Zeitraum ausgeführt, in dem sich eine Schicht aus polykristallinem Silizium mit einer Dicke parallel zur Spiralfederachse von 2 μηι bis 300 μηι ausbildet. Mit den im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugten Prozessparametern werden bei CVD-Verfahren Schichtabscheideraten von 1 μηι/ΓΤπη bis 5 μΓη/ηιίη erreicht. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugten Schichtdicken von 2 μηι bis 300 μηι sind somit innerhalb akzeptabler Prozesszeiten zu erreichen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Oxidation nach dem Ablösen der Spiralfeder von dem Silizium-Wafer für einen Zeitraum ausgeführt, in dem sich eine Schicht aus Siliziumdioxid mit einer Dicke parallel zur Spiralfederachse von 2 μηι bis 8 μηι ausbildet. Durch eine Dicke der Siliziumdioxid-Schicht von 2 μηι bis 8 μηι kann die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls der Spiralfeder und damit die Temperaturabhängigkeit der Rückholkonstante C minimiert werden.
Bevorzugt wird das CVD-Verfahren bei einer Prozesstemperatur zwischen 600°C und 1200°C, besonders bevorzugt zwischen 960°C und 1060°C ausgeführt. Bei den genannten Prozesstemperaturen bilden sich Schichten aus polykristallinem Silizium aus, welche aus anisotropen Siliziumkristallen mit einem Durchmesser parallel zur Spiralfederebene von 10 nm bis 30000 nm und einer Höhe parallel zur Spiralfederachse von 0,5 μηι bis 50 μηι aufgebaut sind. Diese weisen ausgezeichnete Eigenschaften im Hinblick auf die Verhinderung von Spannungen und zum Erreichen eines ausgezeichneten Schwingverhaltens der Spiralfeder auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das CVD-Verfahren bei einem Prozessdruck zwischen 2,7- 103 Pa und 13.3- 103 Pa ausgeführt. Bei den genannten Prozessdrucken bilden sich Schichten aus polykristallinem Silizium aus, welche aus anisotropen Siliziumkristallen mit einem Durchmesser parallel zur Spiralfederebene von 10 nm bis 30000 nm und einer Höhe parallel zur Spiralfederachse von 0,5 μηι bis 50 μηι aufgebaut sind. Diese weisen ausgezeichnete Eigenschaften im Hinblick auf die Verhinderung von Spannungen und zum Erreichen eines ausgezeichneten Schwingverhaltens der Spiralfeder auf.
Besonders bevorzugt werden das LPCVD-Verfahren und/oder das CVD-Verfahren unter Verwendung von Silan oder Dichlorsilan als Prozessgas durchgeführt. Bei Verwendung dieser Prozessgase bilden sich die gewünschten Schichten innerhalb relativ kurzer Prozesszeiten aus.
Bevorzugt wird das CVD-Verfahren mit einem gegenüber dem LPCVD-Verfahren erhöhten Gasfluss, einem erhöhten Prozessdruck und einer erhöhten Prozesstemperatur durchgeführt. Durch die genannte Veränderung der Prozessparameter kann die Ausbildung der gewünschten unterschiedlichen Schichten gesteuert werden.
Bevorzugt wird das CVD-Verfahren bei Prozessparametern durchgeführt, die zur Abscheidung einer Schichtdicke von 1 μηι bis 5 μηι pro Minute führen. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugten Schichtdicken von 2 μηι bis 300 μηι sind somit innerhalb akzeptabler Prozesszeiten zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine Spiralfeder für eine mechanische Uhr, wobei die Spiralfeder nach einem der oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
Zur Klarstellung soll angemerkt werden, dass die oben beschriebenen erfindungsgemäßen Spiralfedern auch durch alternative Verfahren hergestellt werden können. Beispielhaft sind hier zu nennen ein gerichtetes Aufwachsen wie z.B. Epitaxie oder eine Umkristallisation z.B. mittels Laser oder Kristallzucht.
Außerdem umfasst die vorliegende Erfindung eine mechanische Uhr mit einer der oben beschriebenen Spiralfedern.
Sämtliche oben genannten bevorzugten Ausführungsformen können einzeln oder in Kombination mit anderen bevorzugten Ausführungsformen die erfindungsgemäße Spiralfeder bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Spiralfedern weiterbilden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Spiralfeder;
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Windung der Spiralfeder
Fig. 3 einen Schnitt durch die Spiralfeder der Figur 1 ;
Fig. 4 einen Schnitt durch die Spiralfeder der Figur 1 während der
Herstellung der Spiralfeder; Fig. 5 einen Schnitt durch die Spiralfeder der Figur 1 , wobei der Kern der Spiralfeder in einzelnen Schichten aufgebaut ist;
Fig. 6 einen Schnitt durch die Spiralfeder der Figur 1 , wobei der Kern der
Spiralfeder gemäß einer weiteren Ausführungsform in einzelnen Schichten aufgebaut ist; und
Fig. 7 einen Schnitt durch die Spiralfeder der Figur 1 , wobei der Kern der
Spiralfeder gemäß einer weiteren Ausführungsform in einzelnen Schichten aufgebaut ist.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Spiralfeder 2 für mechanische Uhrwerke. Die Spiralfeder 2 weist eine mit der Schwingungsebene der Spiralfeder 2 zusammenfallende Spiralfederebene E und eine senkrecht zu der Spiralfederebene E, durch das Schwingungszentrum der Spiralfeder 2 verlaufende, Spiralfederachse A auf. Zur drehfesten Verbindung mit einer Unruhwelle weist die Spiralfeder 2 einen inneren Spiralfederbefestigungsabschnitt S auf. Der äußere Federhaltepunkt H der Spiralfeder 2 dient der festen Verbindung der Spiralfeder 2 mit einer Platine oder einer Lagerplatine. Die Spiralfeder 2 weist mehrere Windungen W auf.
Ein Querschnitt durch eine Windung W der Spiralfeder 2 ist in Figur 2 dargestellt. Der Kern 4 der Spiralfeder 2 besteht aus polykristallinem Silizium. Der Kern 4 kann in einem thermischen Oxidationsprozess vollkommen mit Siliziumdioxid umhüllt sein. Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist eine erste äußere Schicht 5 aus Siliziumdioxid vorgesehen. Ebenso sind die Seitenflächen 8 mit einer Schicht 7 aus Siliziumdioxid versehen. Andere Anordnungen der Schichten aus Siliziumdioxid liegen in der Griffweite des Fachmanns.
Die Darstellungen der Figuren 3 und 4 zeigen jeweils einen Schnitt durch eine Windung W der Spiralfeder 2 der Figur 1 , wobei die Spiralfederachse A Bestandteil der Schnittebene ist und somit die Schnittebene senkrecht auf der Spiralfederebene E steht. Die Dicken der einzelnen Schichten (4i , 42, 43, 4N) sind in den Figuren 3 und 4 nicht maßstabsgetreu wiedergegeben, es kann also nicht von der zeichnerisch dargestellten Dicke der einen Schicht auf die Dicke einer anderen Schicht geschlossen werden. Die Figur 4 zeigt einen Zustand der Spiralfeder 2 während des Herstellungsprozesses. Der als Träger dienende Silizium-Wafer 1 ist mit einer Opferschicht 9 aus Siliziumdioxid versehen. Durch ein LPCVD-Verfahren wird auf der Opferschicht 9 eine 0,4 μηι dicke erste Schicht 4i aus polykristallinem Silizium abgeschieden. Diese erste Schicht 4i besteht aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen 12, die im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von 100 nm bis 400 nm aufweisen. Das LPCVD-Verfahren wird mit Silan als Prozessgas bei einem Druck von 0,6- 103 Pa und einer Temperatur von 1000 °C durchgeführt. Durch die dabei erzielte Abscheiderate von ca. 200 nm/min baut sich die erste Schicht 4i innerhalb von rund 2 Minuten auf.
Nachfolgend werden Gasfluss, Prozessdruck und Prozesstemperatur erhöht und unter Verwendung von Silan als Prozessgas wird ein CVD-Verfahren durchgeführt. Bei einem Prozessdruck von 5,7- 103 Pa und einer Prozesstemperatur von 1060°C stellt sich eine Abscheiderate von rund 2 μηι pro Minute ein. Innerhalb von 20 Minuten wird eine auf der ersten Schicht 4i aus polykristallinem Silizium angeordnete zweite Schicht Ai aus polykristallinem Silizium mit einer Dicke parallel zur Spiralfederachse A von 40 μηι ausgebildet. Die zweite Schicht Ai aus polykristallinem Silizium besteht aus anisotropen Siliziumkristallen 10, wobei die anisotropen Siliziumkristalle 10 im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 50 nm bis 1000 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 5 μηι bis 30 μηι aufweisen.
Anschließend werden die Parameter Gasfluss, Prozessdruck und Prozesstemperatur auf die Werte für das oben im Zusammenhang mit der Ausbildung der ersten Schicht 4i beschriebene Verfahren eingestellt und ein LPCVD-Verfahren zur Ausbildung einer dritten 43, auf der zweiten 42 Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten 0,4 μηι dicken Schicht aus polykristallinem Silizium durchgeführt. Diese dritte Schicht 43 besteht wiederum aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen 12 mit einem Durchmesser von 100 nm bis 400 nm.
Nachfolgend werden Gasfluss, Prozessdruck und Prozesstemperatur wieder erhöht und unter Verwendung von Silan als Prozessgas wird ein weiteres CVD-Verfahren durchgeführt. Bei einem Prozessdruck von 5,7- 103 Pa und einer Prozesstemperatur von 1060°C stellt sich eine Abscheiderate von rund 2 μηι pro Minute ein. Innerhalb von 20 Minuten wird eine auf der dritten Schicht 43 aus polykristallinem Silizium angeordnete vierte Schicht 44 aus polykristallinem Silizium mit einer Dicke parallel zur Spiralfederachse A von 40 μηι ausgebildet. Die vierte Schicht 44 aus polykristallinem Silizium besteht ebenfalls aus anisotropen Siliziumkristallen 10, wobei die anisotropen Siliziumkristalle 10 im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 50 nm bis 1000 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 5 μηι bis 30 μηι aufweisen.
Nach diesem Prozessschritt weist die mit dem Silizium-Wafer 1 verbundene Spiralfeder 2 die in Figur 4 dargestellte Form des Kerns 4 auf.
Anschließend erfolgen nacheinander die Strukturierung der Spiralfeder 2 durch ein materialabtragendes chemisches Ätzverfahren mit Hilfe von Photomasken, das Ablösen der Spiralfeder 2 von dem Silizium-Wafer 1 durch Auflösen der Opferschicht 9 aus Siliziumdioxid wiederum mit Hilfe eines chemischen Ätzverfahrens, und die Durchführung einer thermischen Oxidation zur Erzeugung einer Siliziumdioxid-Oberflächenbeschichtung. Die thermische Oxidation wird für einen Zeitraum von 5 Minuten durchgeführt, sodass sich eine erste äußere Schicht 5 und eine letzte äußere Schicht 6 aus Siliziumdioxid mit einer Schichtdicke von rund 2,5 μηι ausbilden. Im Zuge der Bildung der ersten äußeren Schicht 5 aus Siliziumdioxid löst sich die erste, aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen 12 bestehende Schicht 4i vollständig auf. Durch die Siliziumdioxid- Oberflächenbeschichtung wird eine Minimierung der Temperaturabhängigkeit des Schwingungsverhaltens der Spiralfeder 2 erreicht.
Eine erfindungsgemäße Spiralfeder 2 für mechanische Uhrwerke ist in Figur 3 dargestellt. Die Spiralfeder 2 ist in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse A aus drei Schichten 4i , 42, 43, aus polykristallinem Silizium aufgebaut, nämlich aus einer 2,5 μηι dicken, ersten äußeren Schicht 5 aus Siliziumdioxid, einer auf der ersten äußeren Schicht 5 aus Siliziumdioxid angeordneten, 40 μηι dicken, ersten Schicht 4i aus polykristallinem Silizium, wobei die erste Schicht 4i aus anisotropen Siliziumkristallen 10 besteht, wobei die anisotropen Siliziumkristalle 10 einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 50 nm bis 1000 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 5 μηι bis 30 μηι aufweisen, einer 0,4 μηι dicken zweiten, auf der ersten Schicht 4i aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht 42 aus polykristallinem Silizium, wobei die zweite Schicht 42 aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen 12 mit einem Durchmesser von 100 nm bis 400 nm besteht, einer auf der zweiten Schicht 42 aus polykristallinem Silizium angeordneten, 40 μηι dicken, dritten Schicht 43 aus polykristallinem Silizium, wobei die dritte Schicht 43 aus anisotropen Siliziumkristallen 10 besteht, wobei die anisotropen Siliziumkristalle 10 einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 50 nm bis 1000 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 5 μηι bis 30 μηι aufweisen, einer auf der dritten Schicht 43 aus polykristallinem Silizium angeordneten, 2,5 μηι dicken, letzten, äußeren Schicht 6 aus Siliziumdioxid.
Die dargestellte Spiralfeder 2 kann unter minimalen Verlusten durch Brüche und Risse mit konstant ausgezeichneter Qualität hergestellt werden.
Figur 5 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Spiralfeder 2. Der Kern 4 der Spiralfeder 2 besteht aus polykristallinem Silizium und ist in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse A aus mehreren Schichten aus polykristallinem Silizium 4i, 42, 43, ... , 4N aufgebaut. Hier und bei den Figuren 6 und 7 liegt die erste Schicht 4i aus polykristallinem Silizium auf der Opferschicht 9 auf, die selbst auf dem Wafer 1 ausgebildet ist. Die mehreren Schichten 4 42, 43, 4N aus polykristallinem Silizium sind miteinander verbunden. Das Verbinden kann z.B. in Laminierverfahren durchgeführt werden. Jede der Schichten 4i, 42, 43, 4N besteht aus anisotropen Siliziumkristallen 10.
Bei der in Figur 6 gezeigten Ausführungsform besteht jede der mehreren Schichten
41 , 42, 43, 4N aus polykristallinem Silizium aus isotropen Siliziumkristallen 12.
Bei der in Figur 7 gezeigten Ausführungsform können die mehreren Schichten 4i,
42, 43, 4N aus polykristallinem Silizium abwechselnd ausgestattet sein. Eine beliebige Abfolge von Schichten aus isotropen Siliziumkristallen 12 und Schichten aus anisotopen Siliziumkristallen 10 kann gewählt werden. Bezugszeichenliste
Silizium-Wafer
Spiralfeder
Kern
Schichten aus polykristallinem Silizium erste äußereSchicht
letzte äußere Schicht
Schicht aus Siliziumdioxid
Seitenfläche
Opferschicht
anisotrope Siliziumkristalle isotrope Siliziumkristalle
Spiralfederachse
Spiralfederebene
Spiralfederbefestigungsabschnitt
Federhaltepunkt
Windungen

Claims

Patentansprüche
1. Spiralfeder (2) für mechanische Uhrwerke, wobei die Spiralfeder (2) eine mit der Schwingungsebene der Spiralfeder (2) zusammenfallende Spiralfederebene (E) und eine senkrecht zu der Spiralfederebene (E), durch das Schwingungszentrum der Spiralfeder (2) verlaufende, Spiralfederachse (A) aufweist und ein Kern (4) der Spiralfeder (2) aus polykristallinem Silizium besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (4) der Spiralfeder (2) in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse (A) aus mehreren Schichten aus polykristallinem Silizium (4i , 42, 43, 4N) aufgebaut ist und eine erste, äußere Schicht (5) aus Siliziumdioxid ist.
2. Spiralfeder (2) nach Anspruch 1 , wobei jede Seitenfläche (8) des Kerns (4) mit einer Schicht (7) aus Siliziumdioxid versehen ist.
3. Spiralfeder (2) nach den Ansprüchen 1 bis 2, wobei eine letzte äußere Schicht (6) aus Siliziumdioxid ist.
4. Spiralfeder (2) nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei die mehreren Schichten (4i , 42, 43, 4N) aus polykristallinem Silizium einzeln miteinander verbunden sind und jede der Schichten (4i , 42, 43, 4N) aus anisotropen Siliziumkristallen (10) besteht.
5. Spiralfeder (2) nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei die mehreren Schichten (4i , 42, 43, 4N) aus polykristallinem Silizium einzeln miteinander verbunden sind und jede der Schichten (4i , 42, 43, 4N) aus isotropen Siliziumkristallen (12) besteht.
6. Spiralfeder (2) nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei die mehreren Schichten (4i , 42, 43, 4N) aus polykristallinem Silizium einzeln miteinander verbunden sind und einige der Schichten (4i , 42, 43, 4N) aus anisotropen - 2 -
Siliziumkristallen (10) und einige der Schichten aus isotropen Siliziumkristallen (12) bestehen.
7. Spiralfeder (2) nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei die Schichten (4i , 42, 43, ... , 4N) aus einem Abscheideverfahren nacheinander ausgebildet sind und zumindest eine Schicht (4K) aus polykristallinem Silizium und zumindest eine übernächste Schicht (4K+2) aus polykristallinem Silizium bestehen, wobei die Schicht (4K ) und die übernächste Schicht (4K+2) aus anisotropen Siliziumkristallen (10) bestehen,
eine, zwischen der Schicht (4K) aus polykristallinem Silizium und der übernächsten Schicht (4K+2) aus polykristallinem Silizium angeordneten nächsten Schicht (4«+i) aus polykristallinem Silizium besteht, wobei die nächste Schicht (4«+i) aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen (12) besteht.
8. Spiralfeder (2) nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei die Schichten (4^ 42, 43, ... , 4N) aus einem Abscheideverfahren nacheinander ausgebildet sind und aus einer auf dem Siliziumdioxid angeordneten ersten Schicht (4^ aus polykristallinem Silizium mit anisotropen Siliziumkristallen (10) besteht, wobei die eine zweite, auf der ersten Schicht (4^ angeordnete zweite Schicht (42) aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen (12) besteht, und einer auf der zweiten Schicht (42) angeordneten dritten Schicht (43) aus polykristallinem Silizium, wobei die dritte Schicht (43) aus anisotropen Siliziumkristallen (10) besteht.
9. Spiralfeder (2) nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei die Schichten (4^ 42, 43, ... , 4N) aus einem Abscheideverfahren nacheinander ausgebildet sind und aus
einer auf dem Siliziumdioxid angeordneten ersten Schicht (4^ aus polykristallinem Silizium bestehen, wobei die erste Schicht (4^ aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen (12) besteht,
einer auf der ersten Schicht (4^ angeordneten zweiten Schicht (42) aus polykristallinem Silizium bestehen, wobei die zweite Schicht (42) aus anisotropen Siliziumkristallen (10) besteht, - 3 -
einer auf der zweiten Schicht (42) angeordneten dritten Schicht (43) aus polykristallinem Silizium bestehen, wobei die dritte Schicht (43) aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen (12) besteht, und
einer auf der dritten Schicht (43) angeordneten vierten Schicht (44) aus polykristallinem Silizium bestehen, wobei die vierte Schicht (44) aus anisotropen Siliziumkristallen (10) besteht.
10. Spiralfeder (2) nach den vorangehenden Ansprüchen, wobei die Spiralfeder (2) in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse (A) N weitere aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen (12) bestehende Schichten (4i , 42, 43,
4N) und N weitere aus anisotropen Siliziumkristallen (10) bestehende Schichten (4i , 42, 43, 4N) aufweist, wobei jede weitere aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen (12) bestehende Schicht zwischen zwei aus anisotropen Siliziumkristallen (10) bestehende Schichten angeordnet ist und jede weitere aus anisotropen Siliziumkristallen (10) bestehende Schicht zwischen zwei aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen (12) bestehende Schichten angeordnet ist, wobei N < 200, insbesondere N < 150, besonders bevorzugt N < 100 ist.
1 1. Spiralfeder (2) nach den vorangehenden Ansprüchen wobei die aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen (12) bestehenden Schichten eine Dicke parallel zur Spiralfederachse (A) von 200 nm bis 50 μηι aufweisen.
12. Spiralfeder (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die aus anisotropen Siliziumkristallen (10) bestehenden Schichten eine Dicke parallel zur Spiralfederachse (A) von 2 μηι bis 300 μηι aufweisen.
13. Spiralfeder (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die anisotropen Siliziumkristalle (10) einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene (E) von 10 nm bis 30000 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse (A) von 0,5 μηι bis 50 μηι aufweisen. - 4 -
14. Spiralfeder (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die im Wesentlichen isotropen Siliziumkristalle (12) einen Durchmesser von 1 nm bis 10000 nm aufweisen.
15. Spiralfeder (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Fläche einer die Spiralfederachse (A) beinhaltenden Schnittebene einer Windung W der Spiralfeder von 0,001 mm2 bis 0,01 mm2 beträgt.
16. Spiralfeder (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Höhe der Spiralfeder (2) parallel zur Spiralfederachse (A) von 0,05 mm bis 0,3 mm beträgt.
17. Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder (2) für mechanische Uhrwerke mit den Schritten
a) Bereitstellen eines Silizium-Wafers (1), wobei der Silizium-Wafer (1) eine Opferschicht (9) aus Siliziumdioxid aufweist,
b) Durchführung eines LPCVD-Verfahrens zur Ausbildung einer ersten (4i), auf der Siliziumdioxid-Opferschicht (9) angeordneten Schicht (4^ aus polykristallinem Silizium, wobei die erste Schicht (4^ aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen (12) besteht,
c) Durchführung eines CVD-Verfahrens zur Ausbildung einer auf der ersten Schicht (4Ϊ) aus polykristallinem Silizium angeordneten zweiten Schicht (42) aus polykristallinem Silizium, wobei die zweite Schicht (42) aus anisotropen Siliziumkristallen (10) besteht,
d) Durchführung eines LPCVD-Verfahrens zur Ausbildung einer dritten, auf der zweiten Schicht (42) aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht (43) aus polykristallinem Silizium, wobei die dritte Schicht (43) aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen (12) besteht,
e) Durchführung eines CVD-Verfahrens zur Ausbildung einer auf der dritten Schicht (43) aus polykristallinem Silizium angeordneten vierten Schicht (44) aus polykristallinem Silizium, wobei die vierte Schicht (44) aus anisotropen Siliziumkristallen (10) besteht,
f) Durchführung eines LPCVD-Verfahrens zur Ausbildung einer fünften, auf der vierten Schicht (44) aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht (45) - 5 -
aus polykristallinem Silizium, wobei die fünfte Schicht (45) aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen (12) besteht,
g) Strukturierung der Spiralfeder (2) durch ein materialabtragendes Ätz- oder Schneideverfahren,
h) Ablösen der Spiralfeder (2) von dem Silizium-Wafer (1) durch Auflösen der Opferschicht (9) aus Siliziumdioxid mit Hilfe eines Ätzverfahrens,
i) Durchführung einer Oxidation zur Erzeugung zumindest einer ersten äußeren Schicht (5) und/oder einer letzten äußeren Schicht (6) und/oder einer Schicht (7) aus Siliziumdioxid auf einer Seitenfläche (8) der Spiralfeder (2), wobei die Ausbildung der äußeren Schicht (5) und der letzten äußeren Schicht (6) unter Auflösung zumindest eines Teils der ersten aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen (12) bestehenden Schicht (4^ bzw. unter Auflösung zumindest eines Teils der fünften aus im Wesentlichen isotropen Siliziumkristallen (12) bestehenden Schicht (45) erfolgt.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das LPCVD- Verfahren für einen Zeitraum ausgeführt wird, in dem sich die erste, dritte und fünfte Schicht (4i , 43, 45) aus polykristallinem Silizium mit einer Dicke parallel zur Spiralfederachse (A) von 0,2 μηι bis 1 μηι ausbildet.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei das CVD- Verfahren für einen Zeitraum ausgeführt wird, in dem sich die zweite und vierte Schicht (42, 44) aus polykristallinem Silizium mit einer Dicke parallel zur Spiralfederachse (A) von 2 μηι bis 300 μηι ausbildet.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Oxidation für einen Zeitraum ausgeführt wird, in dem sich eine erste äußere Schicht (5) und eine letzte äußere Schicht (6) aus Siliziumdioxid mit einer Dicke parallel zur Spiralfederachse (A) von 2 μηι bis 8 μηι ausbildet.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die anisotropen Siliziumkristalle (10) einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene (E) von 10 nm bis 30000 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse (A) von 0,5 μηι bis 50 μηι aufweisen. - 6 -
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21 , wobei die anisotropen Siliziumkristalle (10) einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene (E) von 20 nm bis 5000 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse (A) von 5 μηι bis 20 μηι aufweisen.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei die im Wesentlichen isotropen Siliziumkristalle (12) einen Durchmesser von 1 nm bis 10000 nm aufweisen.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei die im Wesentlichen isotropen Siliziumkristalle (12) einen Durchmesser von 20 nm bis 4000 nm, bevorzugt 50 nm bis 1000 nm aufweisen.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei das CVD- Verfahren bei einer Prozesstemperatur zwischen 600°C und 1200°C, bevorzugt zwischen 960°C und 1060°C ausgeführt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 25, wobei das CVD- Verfahren bei einem Prozessdruck zwischen 2.7- 103 Pa und 13.3- 103 Pa ausgeführt wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 26, wobei das LPCVD- Verfahren und/oder das CVD-Verfahren unter Verwendung von Silan oder Dichlorsilan als Prozessgas durchgeführt werden.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 27, wobei das CVD-Verfahren mit einem gegenüber dem LPCVD-Verfahren erhöhten Gasfluss, einem erhöhten Prozessdruck und einer erhöhten Prozesstemperatur durchgeführt wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 28, wobei das CVD-Verfahren bei Prozessparametern durchgeführt wird, die zur Abscheidung einer Schichtdicke von 1 μηι bis 5 μηι pro Minute führen. - 7 -
30. Spiralfeder (2) für eine mechanische Uhr, wobei die Spiralfeder (2) nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 17 bis 29 hergestellt ist.
31. Mechanische Uhr mit einer Spiralfeder (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16.
32. Mechanische Uhr mit einer Spiralfeder (2) gemäß Anspruch 30.
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