JP7696359B2 - シリコン製の時計部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン時計部品の製造方法に関する。

製造されるシリコン時計部品は、２つの要素、例えば可撓性案内部材の２つの交差した弾性ブレード又は重ねられた２つの歯を備え、部品の高さ方向に隙間によって分離されている。

欧州特許第２９１１０１２号明細書には、このような部品、より具体的には、深掘りエッチングによって一体的に得られた時計用振動器が記載されており、この場合、２つの要素（この場合、振動器のテンプの回転を導く２つの交差した弾性ブレード）は、わずか数ミクロンで分離されている。欧州特許第２９１１０１２号明細書に提案されているように、振動器が酸化シリコンの熱補償層で被覆されている場合、２つの要素を分離する距離はさらに小さくなる。

このように２つの素子の間隔が小さいと、部品の動作中、詳細には装着時の動作中に２つの素子が互いに接触し、時計の精度を低下させる可能性がある。また、これらは、時計が衝撃を受けたときに衝突して損なわれる場合もある。

国際公開第２０１５／０３３２３８号明細書には、ハブに剛に結合された第１の歯付きリムと、弾性アームによってハブに結合された第２の歯付きリムとを含むバックラッシュ補償付き時計用ホイールアセンブリが記載されている。この部品は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）型ウェハの２つの面をエッチングし、ハブを除く中間シリコン酸化層を除去して、第２のリム及び弾性アームを第１のリムから切り離すことにより製造される。この部品では、歯付きリムによって構成される２つの要素が、中間シリコン酸化層の高さに相当する距離、すなわち最大で３μｍだけ離されている。そのため、これらは、時計に衝撃が加わった際に衝突して破損する可能性がある。

全体に剛なシリコン時計部品の場合、例えば、高さが離れている歯型の２つの要素又は他の相互作用要素に関して、２つの要素が密接に近接することは、協働するそれぞれの部品を互いに非常に近接して配置することが必要とされ、組み立てが複雑となる。

前述の問題を回避するために、２つの要素の間隔をアンダーエッチング技術によって大きくすることができるが、その場合、要素の幾何学的及び寸法的な品質はもはや保証されない。また、２つの要素間の十分な距離を維持するスペーサーによって分離された、２つの接着又は溶接された要素で部品を製造することもできる。しかしながら、この場合、一体製造の利点は失われ、接着又は溶接された要素の完全な位置調整を実現することは困難である。

欧州特許第２９１１０１２号 国際公開第２０１５／０３３２３８号

従って、製造精度に悪影響を与えることなく、２つの要素の高さ間隔を要望通りに広げることが可能なシリコン時計部品の製造方法に対するニーズがある。

このニーズは、時計部品の製造方法によって満たされ、本方法は、
ａ）第１のシリコン層、第２のシリコン層、及びその間の中間シリコン酸化層を含むウェハを提供するステップと、
ｂ）第１のシリコン層をエッチングして、その中に時計部品の第１の部分を形成し、第２のシリコン層をエッチングして、その中に時計部品の第２の部分を形成するステップと、
ｃ）第１の部分の要素と第２の部分の要素との間の中間シリコン酸化層を除去するステップと、
を含み、さらに、
ｄ）要素を互いに接触させることなく熱酸化し、次に、要素を脱酸するステップと、
ｅ）要素の間の所定の距離が得られるまで、ステップｄ）を１回又は２回以上繰り返すステップ、
の追加のステップをさらに含む。

シリコン要素又は部品を熱酸化すると、その表面に現れるシリコン酸化層は、その厚さの４４％に相当する深さでシリコンが消費されることによって形成される。従って、シリコン酸化層を除去した後は、サイズが縮小されたシリコン要素又は部品が残る。本発明では、時計部品の２つの要素のサイズを小さくすることで、それらの間隔が増大される。さらに、酸化中に２つの要素が互いに接触することなく、すなわち、第１の要素の周囲の酸化層と第２の要素の周囲の酸化層とが成長中に接合することなく、酸化－脱酸操作を実行することにより、脱酸中に２つの要素が合体して部品を動作不能にすることが回避される。

複数の酸化－脱酸シーケンスを実行する方法が先行技術で知られている（欧州特許第３１８１９３８号明細書、国際公開第２０１９／１６６９２２号明細書、国際公開第２０１９／１８０５９６号明細書、欧州特許第３４１６００１号明細書参照）が、これらは常にヒゲゼンマイの剛性又は振動器の周波数を調整することを意図した方法であり、酸化－脱酸シーケンスが時計部品の２つの要素の間の間隔を増大することは意図されていない。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して与えられる以下の詳細な説明を読むことで明らかになるはずである。

本発明による方法によって製造された可撓性案内部材を含む時計振動器の斜視図である。 本発明による製造方法のステップを概略的に示す。 本発明による製造方法のステップを概略的に示す。 本発明による製造方法のステップを概略的に示す。 本発明による製造方法のステップを概略的に示す。 本発明による製造方法のステップを概略的に示す。 本発明による製造方法のステップを概略的に示す。

図１には、２つの交差した弾性ブレード４、５によって支持体３から吊り下げられたテンプ２を備える、可撓性案内部材を含む時計振動器１が示されている。ブレード４、５は、テンプ２の平面に平行な２つの異なる平面Ｐ１、Ｐ２に延びており、互いに所定の距離で交差する。ブレード４、５の交差点は、支持体３に対するテンプ２の仮想的な回転軸を規定する。

図２から７は、本発明によるブレード４、５の間の十分な距離及び高い製造精度でこの時計振動器を製造することを可能にする方法を示す。

最初に、中間酸化シリコン（ＳｉＯ₂）層９（図２）によって分離された上部シリコン層７及び下部シリコン層８を備える絶縁体上基板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ－ｏｎ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）タイプのウェハ６が提供される。シリコンは、単結晶とすること、その結晶配向に無関係に多結晶とすること又は非晶質とすることができる。これはドープされる場合又はドープされない場合がある。中間シリコン酸化層９の厚さは、典型的には３μｍである。

次に、ウェハ６を両側から連続的に又は同時にエッチングして（図３）、上部シリコン層７に振動器１の第１の部分１ａ、下部シリコン層８に振動器１の第２の部分１ｂを形成する。各部分１ａ、１ｂは、図示のように単一レベルとすること又は複数レベルとすることができる。

振動器１の第１の部分１ａには、２つの交差した弾性ブレードののうちの一方（４）、並びにテンプ２及び支持体３の上部がある。振動器１の第２の部分１ｂには、２つの交差した弾性ブレードのうちの他方（５）、並びにテンプ２及び支持体３の下部がある。

この段階では、振動器１の２つの部分１ａ、１ｂは、エッチングを停止させる役割を果たす中間シリコン酸化層９によって分離されている。エッチングは、典型的には、ＤＲＩＥと呼ばれる深掘り反応性イオンエッチングである。

次に、中間シリコン酸化層９は、特定のゾーン、詳細には２つのブレード４、５の間において、例えばフッ酸による化学的攻撃によって除去され、振動器１の第１及び第２の部分１ａ、１ｂが一緒に残る必要があるゾーン、すなわちテンプ２及び支持体３のみで残される（図４）。このステップは、ブレード４、５を分離して互いに相対的に変形できるようにする。

次のステップでは（図５）、振動器１を熱酸化して、その周囲、詳細にはブレード４、５の周囲にシリコン酸化層１０を形成する。このシリコン酸化層１０は、シリコンを損なうように形成され、その表面は後退する。酸化は、通常、水蒸気又は二酸素ガスを用いた酸化性雰囲気中で、８００から１２００℃の間の温度で行われる。窒化物系マスクなどのマスクを用いて、例えばブレード４、５のみに局所的に実行することもできる。

酸化は、ブレード４、５上のシリコン酸化層１０の成長がブレード４、５を互いに接触させる前に停止する。従って、酸化後に、距離ｄ１は、依然としてブレード４、５を離隔する。

次に、振動器は、例えばフッ酸による化学的攻撃によってシリコン酸化層１０を除去することにより、脱酸される（図６）。その結果、ブレード４、５の大きさは小さくなるので、それらを離隔する距離ｄ２は図４に対して増大する。

次に、ブレード４、５間の所定の距離ｄ２を得るために、図５及び図６に示される酸化－酸化シーケンスがＮ回繰り返される。Ｎは、典型的には少なくとも２に等しく、好ましくは少なくとも３に等しく、好ましくは少なくとも４に等しく、好ましくは少なくとも５に等しく、好ましくは少なくとも６に等しく、好ましくは少なくとも７に等しい。全ての酸化－脱酸シーケンスの終わりでの距離ｄ２は、典型的には少なくとも７μｍ、好ましくは少なくとも９μｍ、好ましくは少なくとも１１μｍ、好ましくは少なくとも１３μｍ、好ましくは少なくとも１５μｍである。各酸化－脱酸において、距離ｄ２は、例えば１μｍから３μｍの間の値で増大する。

酸化パラメータは、１つの酸化－脱酸シーケンスから次のシーケンスまで様々とすることができる。例えば、酸化シリコンの成長のためにブレード４、５の間により大きな空間が得られるので、振動器１は、最初のシーケンスよりも最後のシーケンスにおいてより長い時間、酸化させることができる。

各酸化ステップは、ブレード４、５が互いに接触する前に停止する（図５）。このようにして、酸化層１０の除去中にブレード４、５が互いに引き寄せられて合体するリスクが抑制される。

全ての酸化－脱酸シーケンスの後、最終的なシリコン酸化層１１を、熱酸化又は蒸着によって、振動器１の全体又は少なくともブレード４、５上に形成し（図７）、その機械抵抗を高め、その周波数を熱変動に左右されないようにすることができる。好ましくは、この最終層１１の形成後のブレード４、５の間の距離ｄ３は、少なくとも５μｍ、好ましくは少なくとも７μｍ、好ましくは少なくとも９μｍ、好ましくは少なくとも１１μｍ、好ましくは少なくとも１３μｍである。

好ましくは、酸化－脱酸シーケンス及び最終シリコン酸化層１１の形成は、振動器１がエッチング中に残されたシリコン材料のブリッジによってウェハ６にまだ取り付けられている間に実行される。この方法の最後のステップは、材料ブリッジを破壊又は除去することによって、ウェハ６から振動器１を取り外すことである。材料ブリッジの破壊による振動器１の取り外しは、それに先だった酸化－脱酸によって促進され、これはエッチングプラズマによってシリコンの結晶格子に生じた欠陥の大部分を除去したことに留意されたい。

振動器１は、ウェハ６に同時に製造された同一の振動器のバッチの一部とすることができる。

本発明は、テンプ振動器の製造に限定されない。本発明は、レバー、ロッカー、アンクル、レーキ、フィンガー、ホイール又はモータ部材などの他のタイプの時計部品にも同様に適用することができる。振動器の場合と同様に、間隔が増大される２つの要素は、部品の可動部を案内するための交差した弾性ブレードとすることができる。また、２つの要素は、例えば、アンクルのフォークとダート、ホイール又はレーキの重ねられた２つの歯、フィンガーの重ねられた２つの突起など、他の部品と相互作用する要素とすることができる。本発明は、特に国際公開第２０１５／０３３２３８号明細書に記載のバックラッシュ補償ホイール、又は国際公開第２０１８／１４６６３９号明細書に記載のモータ部材に適用することができる。

さらに、本発明による時計部品が製造されるウェハは、絶縁体上の多重基板、すなわち、中間シリコン酸化層によって分離された３以上のシリコン層で構成することができる。この場合、間隔が増大される素子の数は、２より大きい可能性がある。

Claims (9)

1. 時計部品（１）を製造するための方法であって、
   ａ）第１のシリコン層（７）、第２のシリコン層（８）、及びその間の中間シリコン酸化層（９）を含むウェハ（６）を提供するステップと、
   ｂ）前記第１のシリコン層（７）をエッチングして、その中に前記時計部品（１）の第１の部分（１ａ）を形成し、前記第２のシリコン層（８）をエッチングして、その中に前記時計部品（１）の第２の部分（１ｂ）を形成するステップと、
   ｃ）前記第１の部分（１ａ）の要素（４）と前記第２の部分（１ｂ）の要素（５）との間の前記中間シリコン酸化層（９）を除去するステップと、
   を含み、さらに、
   ｄ）前記要素（４、５）を互いに接触させることなく熱酸化し、次に、前記要素（４、５）を脱酸するステップと、
   ｅ）前記要素（４、５）の間の所定の距離（ｄ２）が得られるまで、ステップｄ）を１回又は２回以上繰り返すステップと、
   の追加のステップをさらに含む、方法。
2. 前記所定の距離（ｄ２）は、少なくとも７μｍである、請求項１に記載の方法。
3. ステップｅ）は、少なくとも２回、ステップｄ）を繰り返すものである、請求項１又は２に記載の方法。
4. ステップｄ）は、前記時計部品（１）の全体を熱酸化し、次に、脱酸化するものである、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. ステップｅ）の後に、
   ｆ）前記要素（４、５）上に、シリコン酸化層（１１）を形成するステップを含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. ステップｆ）は、前記時計部品（１）全体上に、前記シリコン酸化層（１１）を形成するものである、請求項５に記載の方法。
7. ステップｆ）の終わりの前記要素（４、５）の間の距離（ｄ３）は、少なくとも５μｍである、請求項５又は６に記載の方法。
8. 前記要素（４、５）は、２つの交差した弾性ブレードである、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記時計部品は、振動器（１）、レバー、ロッカー、アンカー、レーキ、フィンガー、ホイール、又はモータ部材である、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。

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