TWI774925B - 製造螺旋彈簧的方法 - Google Patents
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Abstract
根據本發明的方法包括以下接續步驟：(a)提供基板(1)，其在決定的平面(P)延伸並且承載著平行於決定平面(P)的第一層(2)；(b)在第一層(2)中形成至少一貫穿孔(3)；(c)在第一層(2)上沉積第二層(4)，第二層(4)填充至少一貫穿孔(3)以形成至少一橋接材料(7)；(d)在由第二層(4)或基板(1)所構成的蝕刻層(6a)中蝕刻出至少一螺旋彈簧(5)，第二層(4)和基板(1)當中不蝕刻出至少一螺旋彈簧(5)的一者則形成支撐件(6b)，至少一橋接材料(7)將至少一螺旋彈簧(5)垂直於決定平面(P)聯結到支撐件(6b)；(e)消除第一層(2)，至少一螺旋彈簧(5)則藉由至少一橋接材料(7)而維持附接於支撐件(6b)；(f)使至少一螺旋彈簧(5)受到至少一熱處理；(g)使至少一螺旋彈簧(5)從支撐件(6b)脫離。
Description
本發明關於製造螺旋彈簧(亦即包括造形成螺旋的彈性葉片之彈簧)的方法。於典型的應用，螺旋彈簧乃打算裝配了平衡件以與之形成時計機芯的共振器。此種時計螺旋彈簧一般而言經由筒夾而在其內端固定於平衡軸桿，並且經由螺栓或其他固定構件而在其外端固定於機芯的橋接件(其稱為「平衡旋塞」(balance cock))。
本申請人的歐洲專利申請案第3181938號描述製造預定勁度之螺旋彈簧的方法，根據該方法：(a)以獲得預定勁度之螺旋彈簧所需尺寸還大的尺寸來形成螺旋彈簧；(b)決定因此形成之螺旋彈簧的勁度；(c)計算所要移除以獲得預定勁度之螺旋彈簧的材料厚度；以及(d)從步驟(a)期間形成的螺旋彈簧移除所計算的材料厚度。此種方法能夠增加尺寸正確性，並且減少從單一晶圓或從不同晶圓形成的螺旋彈簧之間的製造分歧。尺寸上的品質仍可以藉著重複步驟(b)、(c)、(d)而改善。步驟(a)舉例而言是以蝕刻矽晶圓來進行。步驟(d)然後可以在於使矽螺旋彈簧氧化，舉例而言是藉由熱氧化，以便將所要移除的材料厚度轉換成氧化矽，然後再移除氧化矽。在步驟(d)之後，可以進行稱為「熱補償」(thermal compensation)的作業以使螺旋彈簧的勁度(更精確而言是該螺旋彈簧所欲形成部分之共振器的頻率)對熱變化不敏感。於矽螺旋彈簧的情形，根據歐洲專利第1422436號的教導，彈簧舉例而言可以藉由熱氧化而披覆了氧化矽層。這氧化矽層也用於增加矽螺旋彈簧的機械強度。
本申請人的另一歐洲專利申請案(第3181939號)描述製造預定勁度之螺旋彈簧的方法，根據該方法：(a)以獲得預定勁度之螺旋彈簧所需尺寸還低的尺寸來形成螺旋彈簧；(b)決定因此形成之螺旋彈簧的勁度；(c)計算獲得預定勁度之螺旋彈簧所缺少的材料厚度；以及(d)修改步驟(a)期間所形成的螺旋彈簧以補償所缺的材料厚度，其中可以重複步驟(b)、(c)和(d)。這方法也能夠增加尺寸正確性，並且減少從單一晶圓或從不同晶圓形成的螺旋彈簧之間的製造分歧。步驟(a)舉例而言是以蝕刻矽晶圓來進行。在步驟(d)之後，可以進行熱補償作業以使螺旋彈簧的勁度(更精確而言是螺旋彈簧所打算形成部分之共振器的頻率)對熱變化不敏感。於矽螺旋彈簧的情形，根據歐洲專利第1422436號的教導，彈簧因此可以披覆了氧化矽層。這氧化矽層也用於增加矽螺旋彈簧的機械強度。
根據上面方法的典型具體態樣，幾個螺旋彈簧在步驟(a)同時形成於單一矽晶圓中。這些螺旋彈簧在步驟(b)、(c)、(d)期間以及在熱補償作業期間藉由橋接材料而維持附接於晶圓，然後再從晶圓脫離。這些橋接材料將螺旋彈簧的外圈徑向聯結到晶圓，如歐洲專利申請案第3181938號的圖7和歐洲專利申請案第3181939號的圖6所示範。螺旋彈簧的其他圈和筒夾無法附接於晶圓。
容易了解在螺旋彈簧正在製造之時，尤其在矽螺旋彈簧的情形下它們正受到熱氧化操作之時，將螺旋彈簧附接於晶圓的這方式不能使螺旋彈簧保持不變形。當晶圓是在水平位置時，螺旋彈簧不維持平坦的而是採取盆子的形狀。在垂直位置，諸圈的相對位置有所修改，特定幾圈在一側乃彼此移動成較靠近，而在另一側則移動成彼此遠離。在室溫，這些變形不重要，因為它們維持有彈性。另一方面，在熱處理期間，其中螺旋彈簧放置於可以大於1000℃的爐溫，則這些變形變成永久的，甚至因為矽的勁度減少而放大。所得的螺旋彈簧在其內端和外端之間的高度差因此可以大於每圈的高度。這增加了螺旋彈簧的尺寸，其一旦安裝於機芯中則在正常發揮功能的期間或在衝擊期間可以接觸其他組件，而可以造成損傷。螺旋彈簧的這些永久變形也可以使諸圈在機芯正常發揮功能的期間或在衝擊期間彼此碰觸，並且彼此黏著或黏到機芯的零件(像是平衡旋塞)。可以避免對機芯之其他組件(例如用於設定速率之指標總成)的存取。再者，這些永久變形可以影響等時性。
這些永久變形的程度根據諸圈的重量和勁度、爐中所花的時間和爐溫而變化。變形可以藉由改變這最後二參數中的任一者而減少，但有害於生產力。
從本申請人的歐洲專利第0732635號也知道製造微機械件的方法；根據該方法在基板中挖出凹洞，而同時留下將形成橋接材料的部分；結晶材料板則焊接在基板上，然後於結晶材料板中蝕刻出微機械件，此件以及同一批次的其他件藉由橋接材料而維持在基板上。這方法接著在諸件上進行一或更多個進一步處理，最後則破壞橋接材料以從基板脫離諸件。以此種方法，則結晶材料板和基板在蝕刻期間的熱交換乃不足以保證有良好的蝕刻均質性。再者，需要焊接作業。
本發明的目標在於補救前述的缺失或至少減少之，並且為此提出根據申請專利範圍第1項的方法，而特殊的具體態樣界定在附屬項。
根據本發明較佳具體態樣之方法的第一步驟(圖1所代表)在於提供矽基板1，其在平面P延伸並且上面承載著平行於平面P的氧化矽(SiO2
)層2。基板1的厚度(高度)可以等於所要製造的(多個)螺旋彈簧，亦即典型為120微米，或者可以低於所要製造的(多個)螺旋彈簧，此視彈簧是否要做在基板1或另一層而定，如下所將描述。於第二情形，基板1然而是夠厚的，典型為數十微米，以避免它被變形。氧化矽層2的厚度舉例而言是3微米。基板1的矽可以是單晶(無論其晶向為何)、多晶或非晶形。
氧化矽層2然後舉例而言以光微影術來圖案化，以於當中形成貫穿孔3，如圖2所示，其中僅可見這些貫穿孔3中的一個。具體而言，層2透過遮罩來蝕刻。蝕刻可以是濕式或乾式，但較佳而言為使用電漿的乾式，以便有較好的正確性。因此做出之孔3的直徑較佳而言低於所要製造的螺旋彈簧之葉片的寬度。典型而言，孔3具有約5微米的直徑，而所要製造的螺旋彈簧之葉片的寬度約30微米。
於下一步驟(圖3)，單晶、多晶或非晶形矽舉例而言藉由磊晶而生長在氧化矽層2上以形成矽層4。在這步驟期間，氧化矽層2的孔3填充了層4的矽。矽層4的厚度等於所要製造的(多個)螺旋彈簧，亦即典型為120微米，或者可以低於所要製造的(多個)螺旋彈簧，此視彈簧是否要做在這層4或基板1而定。於第二情形，層4然而是夠厚的，典型為數十微米，以避免它被變形。尤其於第一情形，並且根據層4之上表面的狀況，這上表面可加以拋光，譬如透過化學機械拋光(chemical mechanical polishing，CMP)，以移除氧化矽層2圖案化所造成的生長缺陷以及∕或者調整矽層4的厚度。
其次(見圖4)，矽層4或矽基板1藉由深反應性離子蝕刻(deep reactive ion etching，DRIE)而圖案化，以便形成一或更多個螺旋彈簧5。於本敘述，層4和基板1當中被圖案化的一者稱為「蝕刻層」(etching layer)且指定了參考符號6a，而層4和基板1當中的另一者稱為「支撐件」(support)且指定了參考符號6b。圖4所代表的變化例是層4蝕刻出螺旋彈簧5並且基板1形成支撐件6b。於圖4，僅示範這些螺旋彈簧5當中一者的某圈截面。每個螺旋彈簧5可以同時形成而在一件上且具有其筒夾，以供後續安裝到平衡軸桿上。
在這DRIE步驟期間，遮罩乃用於蝕刻，並且電漿的核心溫度是在180℃的等級。支撐件6b被冷卻到約20℃，舉例而言這是藉由氦來掃描支撐件6b最遠離蝕刻層6a的那一面，以及∕或者藉由循環恆溫控制的冷卻液體來冷卻支撐著支撐件6b的夾盤。支撐件6b的此種冷卻經由氧化矽層2和蝕刻層6a來冷卻遮罩，因此避免遮罩燒掉和蝕刻品質受到影響。尤其，藉由支撐件6b和蝕刻層6a之間的熱交換而使遮罩可能有此種冷卻。相對於根據歐洲專利第0732635號的方法，支撐件6b和蝕刻層6a之間經由氧化矽層2的連續接觸改善了這些熱交換。於這前案，事實上在蝕刻區，基板和結晶材料板在蝕刻期間僅由橋接材料所聯結，因為基板事前挖了凹洞。這在製造期間有害於熱交換和蝕刻均勻性。
於本發明，蝕刻層6a中所形成的螺旋彈簧5藉由氧化矽層2和填充孔3的矽而垂直於平面P聯結到支撐件6b。填充孔3的這矽形成了橋接材料7，其與螺旋彈簧5和支撐件6b是呈一體的。這些橋接材料7具有孔3的形狀和尺寸，其典型而言是圓柱形而有圓形截面，但它們可以具有別的形狀，例如具有多邊形截面或橢圓截面的柱體。它們位在螺旋彈簧5的底部或頂部上。較佳而言，在平面P的投影中，每個橋接材料7整個位在螺旋彈簧5之葉片的二側面5a、5b之間，僅佔去這葉片的部分寬度L，舉例而言小於50%、甚至小於30%或甚至小於20%的這寬度L，並且相對於二側面5a、5b而居中以面對葉片的中性纖維。較佳而言，這些橋接材料7也分布在每個螺旋彈簧5的整個長度上，如圖9所圖解顯示。
於根據本發明之方法的下一步驟，舉例而言以化學腐蝕來移除氧化矽層2 (圖5)。螺旋彈簧5遂僅藉由橋接材料7而聯結到支撐件6b。
然後進行歐洲專利申請案第3181938號所述方法，以便賦予螺旋彈簧5預定的勁度。更精確而言，某些螺旋彈簧5從支撐件6b脫離並且耦合到具有預定慣量的平衡件、測量共振頻率、計算其平均值、由此導出螺旋彈簧5的勁度值、計算要獲得預定勁度而從螺旋彈簧5移除的材料厚度、並且從附接於支撐件6b的螺旋彈簧5移除這材料厚度。這些步驟可以重複以精製螺旋彈簧5的尺寸正確性。為了移除所計算的材料厚度，螺旋彈簧5被氧化然後去氧化。為了這實施，支撐件6b與螺旋彈簧5的組合放入爐中以使它受到包括在800和1200℃之間的溫度和氧化氣體，直到其表面上獲得預定厚度的氧化矽(SiO2
)為止。這氧化矽層乃藉由消耗深度差不多等於其厚度一半的矽而形成。在這熱處理之後，舉例而言以化學腐蝕來移除氧化矽層，以便獲得具有對應於預定勁度之減少尺寸的螺旋彈簧5(圖6)。螺旋彈簧5的這氧化∕去氧化也能夠大大減少深反應性離子蝕刻在螺旋彈簧5之側面上所生成的波紋，如歐洲專利申請案第3181938號所解釋。
根據本發明之方法的下一步驟(圖7所代表)可以在於以熱補償層8來披覆螺旋彈簧5，根據歐洲專利第1422436號的教導，該層是由具有彈性模數之第一熱係數的材料所製成，該係數的符號相反於矽。這熱補償層8典型而言是由氧化矽(SiO2
)所製成。它可以藉由熱氧化而形成，如上所述，將支撐件6b與螺旋彈簧5的組合放入爐以使它受到包括在800和1200℃之間的溫度和氧化氣氛，直到在其表面上獲得預定厚度的氧化矽為止。由於氧化矽藉由消耗深度差不多等於其厚度一半的矽而形成，故圖6的螺旋彈簧5和支撐件6b之間的距離d必須大於熱補償層8的厚度以避免它們彼此碰觸。因此，舉例而言，對於厚度3微米的熱補償層8來說，這距離d大於3微米，或甚至大於4微米，或甚至大於5或6微米。熱補償層8(尤其當它是由氧化矽所製成時)也具有增加螺旋彈簧5之機械強度的功能。
每一螺旋彈簧之橋接材料7的數目乃選擇得夠高，以避免諸圈在通過爐的期間倒塌和接觸支撐件6b。這數目尤其取決於螺旋彈簧5的勁度。可以用支撐件6b於氧化期間是在螺旋彈簧5上方的方式來安排支撐件6b與螺旋彈簧5的組合而減少該數目。
除了沿著每個螺旋彈簧5所分布的橋接材料7以外，橋接材料還可以設在打算固定於骨架橋接之螺旋彈簧的筒夾上和/或剛性外端上。橋接材料也可以保持成使螺旋彈簧5彼此側向聯結，如此以形成繫帶。
將螺旋彈簧5聯結到支撐件6b的這些橋接材料或附接部分7有可能避免或至少減少螺旋彈簧5在熱氧化期間的永久(塑性)變形。事實上，矽在室溫是脆的材料(它僅可以彈性變形)，但從800℃到1000℃的溫度等級似乎具有韌性行為。在螺旋彈簧5於爐中定位的期間，螺旋彈簧5之原始為彈性且可逆的變形可以在熱處理期間變成永久的。支撐件6b和橋接材料7限制螺旋彈簧5的變形，該螺旋彈簧5因此在製造結束時將能夠具有類似於其理論形狀的形狀。
於根據本發明之方法的最後步驟(圖8所代表)，螺旋彈簧5藉由工具來打斷橋接材料7而從支撐件6b釋放。於變化例，螺旋彈簧5可以藉由蝕刻操作來消除橋接材料7而釋放，該蝕刻操作是從支撐件6b最遠離螺旋彈簧5的那一面而以遮罩來進行。
無論用於釋放螺旋彈簧5的手段為何，螺旋彈簧5當中橋接材料7所在的區域將不被熱補償層8所覆蓋。然而，由於這些區域面對螺旋彈簧5的中性纖維，故它們在螺旋彈簧5發揮功能的期間將受到很少的彎曲負荷。它們因此可以具有較低的機械強度。熱補償在螺旋彈簧5的側面是極有用的，但在頂和底部較沒有用。因此，就溫度變化來說，在橋接材料7的區域缺乏熱補償層將對螺旋彈簧5的行為影響很小。
然而，在破壞或消除橋接材料7之後，如果想要避免螺旋彈簧5的區域沒有熱補償層，則可以減少孔3的直徑以及因此減少橋接材料7的直徑，如此則在形成熱補償層8之後，橋接材料7僅由氧化矽所構成。
於本發明的變化例，每個螺旋彈簧5的橋接材料7是由單一橋接材料所取代，其在平面P的投影中形成遵循螺旋彈簧5的葉片之螺旋形的連續螺旋。較佳而言，仍於在平面P的投影中，這橋接材料整個位在葉片的二側面5a、5b之間，而僅佔去這葉片的部分寬度L，舉例而言小於50%或甚至小於30%或甚至小於20%的這寬度L，並且相對於葉片的二側面5a、5b而居中。
本發明不限於上面提到的矽和氧化矽等材料。不用說本發明或可應用於其他材料，尤其關於蝕刻層6a，而可應用於任何可以藉由蝕刻而圖案化的材料。本發明對於在室溫是脆的而在高溫是韌的或可能韌的材料(例如矽、玻璃或陶瓷)尤其有利。
1‧‧‧矽基板
2‧‧‧氧化矽層
3‧‧‧貫穿孔
4‧‧‧矽層
5‧‧‧螺旋彈簧
5a‧‧‧側面
5b‧‧‧側面
6a‧‧‧蝕刻層
6b‧‧‧支撐件
7‧‧‧橋接材料
8‧‧‧熱補償層
d‧‧‧距離
L‧‧‧寬度
P‧‧‧平面
在閱讀以下參考所附圖式的詳細敘述時，本發明的其他特徵和優點將變得明顯，其中：
圖1到8是截面圖，其顯示根據本發明來製造一或數個螺旋彈簧之方法的接續步驟；
圖9是螺旋彈簧的俯視圖，其圖解顯示隨著製造則它對支撐件之附接點的位置。
1‧‧‧矽基板
2‧‧‧氧化矽層
5‧‧‧螺旋彈簧
5a‧‧‧側面
5b‧‧‧側面
6a‧‧‧蝕刻層
6b‧‧‧支撐件
7‧‧‧橋接材料
L‧‧‧寬度
Claims (23)
- 一種製造至少一螺旋彈簧(5)的方法，其包括以下接續步驟：(a)提供基板(1)，其在決定的平面(P)延伸並且承載著平行於該決定平面(P)的第一層(2)，(b)在該第一層(2)中形成至少一貫穿孔(3)，(c)在該第一層(2)上沉積第二層(4)，該第二層(4)填充該至少一貫穿孔(3)以形成至少一橋接材料(7)，(d)在由該第二層(4)或該基板(1)所構成的蝕刻層(6a)中蝕刻出至少一螺旋彈簧(5)，該第二層(4)和該基板(1)當中未被蝕刻出該至少一螺旋彈簧(5)的一者則形成支撐件(6b)，該至少一橋接材料(7)將該至少一螺旋彈簧(5)垂直於該決定平面(P)聯結到該支撐件(6b)，(e)消除該第一層(2)，該至少一螺旋彈簧(5)則藉由該至少一橋接材料(7)而維持附接於該支撐件(6b)，(f)使該至少一螺旋彈簧(5)受到至少一熱處理，(g)使該至少一螺旋彈簧(5)從該支撐件(6b)脫離。
- 根據申請專利範圍第1項的方法，其中該熱處理或至少一該熱處理是在爐中進行。
- 根據申請專利範圍第1或2項的方法，其中該熱處理或至少一該熱處理是在至少800℃的溫度下進行。
- 根據申請專利範圍第3項的方法，其中該熱處理或至少一該熱處理是在至少900℃溫度下進行。
- 根據申請專利範圍第4項的方法，其中該熱處理或至少一該熱處理是在至少1000℃的溫度下進行。
- 根據申請專利範圍第5項的方法，其中該熱處理或至少一該熱處理是在至少1100℃的溫度下進行。
- 根據申請專利範圍第6項的方法，其中該熱處理或至少一該熱處理是在至少1200℃的溫度下進行。
- 根據申請專利範圍第1或2項的方法，其中該熱處理或至少一該熱處理包括熱氧化。
- 根據申請專利範圍第8項的方法，其在該步驟(f)和(g)之間包括去氧化步驟，其中該熱氧化和該去氧化能夠減少該至少一螺旋彈簧(5)的尺寸以獲得預定的勁度。
- 根據申請專利範圍第8項的方法，其中該熱氧化的目標在於在該至少一螺旋彈簧(5)上形成熱補償層(8)。
- 根據申請專利範圍第1或2項的方法，其中該蝕刻層 (6a)是由在室溫下是脆的材料所製成。
- 根據申請專利範圍第1或2項的方法，其中該蝕刻層(6a)是由矽或基於矽的材料所製成。
- 根據申請專利範圍第1或2項的方法，其中該蝕刻層(6a)是由玻璃或基於玻璃的材料所製成。
- 根據申請專利範圍第1或2項的方法，其中該蝕刻層(6a)是由陶瓷或基於陶瓷的材料所製成。
- 根據申請專利範圍第1或2項的方法，其中該支撐件(6b)是由矽或基於矽的材料所製成。
- 根據申請專利範圍第1或2項的方法，其中該第一層(2)是由氧化矽或基於氧化矽的材料所製成。
- 根據申請專利範圍第1或2項的方法，其中該步驟(b)是藉由光微影術而進行。
- 根據申請專利範圍第1或2項的方法，其中該步驟(c)是藉由磊晶而進行。
- 根據申請專利範圍第1或2項的方法，其中該步驟(d) 是藉由深反應性離子蝕刻而進行。
- 根據申請專利範圍第1或2項的方法，其中該支撐件(6b)在該步驟(d)期間被冷卻。
- 根據申請專利範圍第1或2項的方法，其中該至少一橋接材料(7)大致分布在該或每個螺旋彈簧(5)的整個長度上。
- 根據申請專利範圍第1或2項的方法，其中在該決定平面(P)的投影中，該或每個橋接材料(7)整個位在該至少一螺旋彈簧(5)之葉片的二側面(5a、5b)之間並且僅佔去這葉片的部分寬度(L)。
- 根據申請專利範圍第22項的方法，其中在該決定平面(P)的投影中，該或每個橋接材料(7)相對於該至少一螺旋彈簧(5)之葉片的該二側面(5a、5b)而大致居中。
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