CN102627254B

CN102627254B - 复杂的带穿孔的微机械部件

Info

Publication number: CN102627254B
Application number: CN201210024520.7A
Authority: CN
Inventors: P·卡森; D·理查德; P·杜博瓦
Original assignee: Nivarox Far SA
Current assignee: Nivarox Far SA
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2032-02-03
Also published as: EP2484629B1; HK1174607A1; JP5451788B2; RU2577312C2; CN102627254A; JP2012161910A; US8636050B2; EP2484629A1; US20120199996A1; RU2012103664A

Abstract

本发明涉及一种在单块材料上制造微机械部件(11，31，41)的方法。根据本发明，所述方法包括以下步骤：a)形成衬底(1，21)，该衬底包括用于待制造的所述微机械部件的凹腔(3，23)；b)在所述衬底(1，21)的一部分上形成牺牲层(5，25)；c)在所述衬底(1，21)上沉积用于形成萌发点的颗粒(6，26)；d)移走所述牺牲层(5，25)，以选择性地使所述衬底(1，21)的一部分没有任何颗粒(6，26)；e)通过化学气相沉积沉积第一材料(7，27)层，使得所述第一材料只在所述颗粒(6，26)保留的地方沉积；f)移走衬底(1，21)，以释放在所述凹腔中形成的微机械部件(11，31，41)。

Description

复杂的带穿孔的微机械部件

技术领域

本发明涉及一种由任何材料例如碳基材料制成的复杂的微机械部件以及制造该种部件的方法。

背景技术

由于通过厚层沉积工艺或通过固体蚀刻方法产生不利的粗糙度，单纯由合成金刚石或DLC(类金刚石碳素)制造微机械部件是非常昂贵的并且在摩擦学方面是不利的。因此，目前优选使用合成金刚石或DLC的薄层覆盖微机械部件，但这不能获得想要的所有形状，尤其是如果部件的一部分必须被穿孔。

发明内容

本发明的目的是，通过提出一种用于制造带穿孔的具有复杂几何形状的微机械部件的方法来克服上述全部或部分缺点，该方法使用最少的材料和步骤并可提供具有大大改善的粗糙度和非常有利的废品率以及生产成本的部件。

因此，本发明涉及一种在单块材料上制造微机械部件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a)形成衬底，该衬底包括用于待制造的所述微机械部件的凹腔；

b)在所述衬底的一部分上形成牺牲层；

c)在所述衬底上沉积用于形成萌发点的颗粒；

d)移走所述牺牲层，以选择性地使所述衬底的一部分没有任何颗粒；

e)通过化学气相沉积仅在所述颗粒保留的地方沉积第一材料层；

f)移走所述衬底，以释放在所述凹腔中形成的所述微机械部件。

因此，该方法允许制造具有材料“皮肤”--即，少量材料--的单件式微机械部件--即，没有材料的不连续的部件，该部件的外表面具有衬底的非常有利的粗糙度。这大大降低了外层所需要的材料的成本，并改善了整个粗糙度，尤其是在外表面上的粗糙度，并提高了其摩擦学性能。此外，通过只沉积用于最终涂层所需要的材料量而不需要沉积用于任何后续的修改步骤所需要的材料量，选择性地沉积材料。

根据本发明的其它有利特征：

-在步骤f)之前，该方法包括步骤g)：从所述衬底上去除比所沉积的第一材料层的厚度大的厚度，以便使在所述凹腔中的所述第一材料的层具有有限厚度。

-步骤b)通过光刻执行；

-步骤c)包括阶段1)：使用含有所述颗粒的胶状溶液覆盖所述衬底，和阶段2)：从所述胶状溶液中去除溶剂，从而仅所述颗粒保留在所述衬底上；

-所述颗粒与在步骤e)中沉积的所述第一材料具有相同的性质；

-在步骤e)中沉积的所述第一材料由硅基化合物或部分由碳的同素异形体形成；

-在步骤e)之后，该方法包括步骤h)：用第二材料填充覆盖有在步骤e)中沉积的第一材料的模子，以便获得由所述第一材料制成的微机械部件，所述第一材料通过所述第二材料得到加强和/或装饰有所述第二材料；

-在步骤h)中，所述第二材料形成为从所述凹腔伸出来，以便形成所述微机械部件的附加功能元件；

-所述第二材料包括金属或金属合金。

附图说明

从下面参考附图经由非限制性示例给出的详细描述中，可以清楚地发现其它特征和优点，其中：

-图1至图8是根据本发明的第一实施例的制造方法的连续步骤的示意图；

-图9是根据本发明的第一实施例获得的示例性微机械部件的示意图；

-图10至图14是根据本发明的第二实施例的制造方法的连续步骤的示意图；

-图15至图17是根据本发明的第三实施例的制造方法的连续步骤的示意图；

-图18是根据本发明的第三实施例获得的示例性微机械部件的示意图；

-图19至图20是根据本发明的第四实施例的制造方法的连续步骤的示意图；

-图21是根据本发明的第四实施例获得的示例性微机械部件的示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种例如由碳基材料制成的单件式微机械部件的制造方法。“碳基”是指晶态形式的合成碳同素异形体例如金刚石或单层或多层石墨烯或者非晶态形式的合成碳同素异形体例如DLC。

当然，有利地，根据本发明，能沉积成层并具有摩擦学优点的其它类型的材料可用作合成碳同素异形体的替代。这些替代材料可以是例如硅基化合物，即，例如氮化硅、氧化硅或碳化硅。

该微机械部件设计成应用于钟表学领域。然而，可以很容易想到用于其它领域，例如尤其是航空、珠宝或者汽车工业。

在钟表学领域，该微机械部件可以例如完全或部分由碳同素异形体基材或上述的替代材料形成手表外部部件、游丝、摆轮、擒纵叉、桥夹板或甚至轮副例如擒纵轮。

在图1至图8中示出了制造该微机械部件的方法的第一实施例。在步骤a)中，该方法在于在衬底1上形成用于未来的微机械部件的凹腔3。各种各样的衬底1都是可能的。优选地，衬底1的材料选择低粗糙度的--即，具有光滑表面的自然性质--并能够抵抗沉积步骤的侵蚀。

举例来说，图1和图2示出了步骤a)由硅衬底1形成，因为硅衬底可以获得非常好的粗糙度，即算术平均值Ra基本上小于10nm。

因此，在图1示出的第一阶段中，用具有孔4的掩膜2覆盖衬底1，孔4使衬底1的顶部暴露在外。在第二阶段，在孔4中进行蚀刻。该蚀刻可以是湿法蚀刻或干法蚀刻。最后，在图2示出的第三阶段中，移走掩膜2，只留下在衬底1上制成的凹腔3。

在图3示出的第二步骤b)中，用牺牲层5覆盖衬底1，该牺牲层使衬底1的多个区域暴露在外。优选地，步骤b)通过使用正性或负性光敏树脂的光刻执行。

如图4所示，第三步骤c)在于用颗粒6覆盖整个衬底1，所述颗粒6用于形成后续沉积的萌发点。

优选地，步骤c)包括使用含有所述颗粒的胶状溶液覆盖衬底1的第一阶段。因此，通过将衬底1至少部分浸入溶液中获得涂层，在所述溶液中有目的地使颗粒在溶剂中移动以在溶液中获得最可能均匀的分布。举例来说，颗粒在溶剂中的移动可通过超声搅拌实现。最后，溶剂可由醇类或水组成，但并不限于此。

颗粒6可用作萌发点。在这方面，颗粒可以是相对于后续沉积的材料来说的杂质，或者它们可具有与后续沉积的材料相同的性质。优选地，颗粒的直径在几纳米和几十纳米之间。

步骤c)继续第二阶段，该第二阶段用于从溶液中去除溶剂以在衬底1上形成颗粒6。该第二阶段可通过例如蒸发溶剂获得。

在图5示出的第四步骤d)中，该方法在于从衬底1上移走牺牲层5，以除去衬底1的一部分上的任何颗粒6。因此，显然，具有颗粒6的部分是没有牺牲层5的区域。通过非限制性示例，步骤d)可通过溶解或选择性化学蚀刻牺牲层5获得。

在第一实施例的第五步骤e)中，该方法在于通过化学气相沉积沉积材料7，因此只有颗粒6被沉积或保留。在步骤e)的最后，如图6所示，获得了直接形成有材料7的所希望的部分层的衬底1。

根据本发明的方法可包括可选的第六步骤g)。步骤g)用于去除衬底1的覆盖有层7的一部分，以便使在所述凹腔3中的所述层7具有有限厚度。优选地，根据本发明，从衬底1上去除比层7的厚度e1大的厚度e2，如图7所示。因此，显然，除了在衬底1的腔3中，层7肯定不再存在了。

在第一实施例的最终步骤f)中，该方法在于移走衬底1，以释放至少部分在腔3中形成的微机械部件。因此，在衬底1由硅制成的上述示例中，步骤f)可包括选择性蚀刻硅。例如，这可通过使用包含四甲基氢氧化铵(TMAH和TMAOH)的浴的化学蚀刻获得。

在步骤f)的最后，如图8所示，获得了仅由层7形成的微机械部件，该部件的几何形状与腔3至少部分匹配。有利地，外表面--即，直接与衬底1接触的表面--具有非常好的粗糙度，即可与衬底1的粗糙度相当，并且该外表面优选用作机械接触表面。

最后，对于高度e3在10μm和500μm之间的微机械部件，沉积厚度e1仅在0.2μm和20μm之间的层7。因此，由于在步骤e)中缩短了沉积时间，因此显然节约了材料成本和生产成本。

因此，不管微机械部件如何复杂，该方法实施起来不会变得更加困难。举例来说，在腔3的壁上形成齿圈不会增加困难度，所述齿圈将在微机械部件上形成匹配的齿圈。

通过非限制性示例，图9示出了根据第一实施例可获得的微机械部件11。微机械部件11包括基本上铁饼状的盘13，该盘具有位于盘中心的允许例如与枢转销配合工作的孔18。此外，毂12与孔18同轴地延伸出来，所述毂12将几个臂14连接到轮辋16上。齿圈15从轮辋的周边垂直地伸出来。因此，图9示出了齿圈15和盘13的厚度由在该方法的步骤e)中沉积的层7的厚度e1形成。

有利地，通过只沉积用于最终涂层所需要的材料量而不需要沉积用于后续的修改步骤所需要的材料量，选择性地沉积材料。这导致由去除材料的操作(破坏衬底1、在沉积层7上的银等)所产生的废品率减少。由于缩短了沉积层7的步骤e)、减少了材料7的使用量以及没有任何机械去除操作，因此这也降低了生产成本。

图10至图14示出了第一实施例的第二个替代实施例。根据第二实施例的步骤a)与第一实施例的相同，并在于在衬底21上形成用于未来的微机械部件的凹腔23，该第二实施例的步骤a)具有与第一实施例相同的变型和优点。

在图10示出的第二步骤b)中，用牺牲层25覆盖衬底21，该牺牲层使衬底21的多个区域暴露在外。优选地，步骤b)通过使用正性或负性光敏树脂的光刻执行。

如图11所示，第三步骤c)在于在用颗粒26覆盖整个衬底21，所述颗粒26用于形成后续沉积的萌发点，该步骤c)与第一实施例的步骤c)具有相同的变型和优点。

在图12示出的第四步骤d)中，该方法在于从衬底21上移走牺牲层25，以除去衬底21的一部分上的任何颗粒26。因此，显然，具有颗粒26的部分是没有牺牲层25的区域。通过非限制性示例，步骤d)可通过溶解或选择性化学蚀刻牺牲层25获得。

在第二实施例的第五步骤e)中，该方法在于通过化学气相沉积沉积材料27，因此只有颗粒26被沉积或保留。在步骤e)的最后，如图13所示，获得了直接形成有材料27的所希望的部分层的衬底21。

根据本发明的第二实施例的方法也可包括可选的第六步骤g)，该步骤g)与第一实施例的步骤g)完全相同，但未示出。

在第二实施例的最终步骤f)中，该方法在于移走衬底21，以释放在腔23中形成的微机械部件，该步骤f)具有与在第一实施例中的步骤f)相同的变型和优点。

在步骤f)的最后，如图14所示，获得了仅由层27形成的微机械部件，该部件的几何形状与腔23至少部分匹配。有利地，当不实施可选的步骤g)时，层27的厚度e1可加到第一实施例的微机械部件的高度e3上，以得到在图14中示出的总高度。

此外，在第二实施例中，也显然，步骤g)对于将层27限制在腔23内是不必要的。事实上，同样的结果可仅通过在除了腔23之外的整个衬底21上形成牺牲层25获得。

因此，如在第一实施例中一样，不管微机械部件如何复杂，该方法实施起来不会变得更加困难。举例来说，在腔23的壁上形成齿圈不会增加困难度，所述齿圈将在微机械部件上形成匹配的齿圈。所以，显然，图9的微机械部件11也可通过第二实施例制造。

因此，在第二实施例中，如在第一实施例中一样，获得了仅由层27形成的微机械部件，该部件的几何形状与腔23的至少一部分匹配。有利地，外表面--即，直接与衬底21接触的表面--具有非常好的粗糙度，即可与衬底21的粗糙度相当，并且该外表面优选用作机械接触表面。

此外，有利地，在第二实施例中，通过只沉积用于最终涂层所需要的材料量而不需要沉积用于后续的修改步骤所需要的材料量，选择性地沉积材料。这导致由去除材料的操作(破坏衬底21、在沉积层27上的银等)所产生的废品率减少。由于缩短了沉积步骤e)、减少了材料27的使用量以及没有任何机械去除操作，因此这也降低了生产成本。

图15至图17示出了形成上述第一实施例和第二实施例的替代的第三实施例。步骤a)至步骤e)分别与第一实施例和第二实施例的相同。然而，如图15所示，在步骤e)之后执行步骤h)，步骤h)在于用第二材料8填充覆盖有第一材料7、27的腔3、23的中空部。

因此，如果适当，分别在图16和图17示出的与第一和第二实施例类似的可选步骤g)和步骤f)之后，获得了由第一材料7、27制成的微机械部件，所述步骤具有与前两个实施例相同的变型和优点，其中，第一材料7、27通过第二材料8得到进一步加强或装饰有第二材料8。

根据本发明的另一优点，可以在部件上覆盖薄层，这在以前是不可能的，因为薄层沉积需要特殊的条件，例如压力、温度或所使用的化合物。通过非限制性示例，且有利地根据本发明，因此可以由沉积物8形成主要是金属的部件，该部件覆盖有由层7、27形成的金刚石层，而目前据申请人所知，用金刚石覆盖金属部件仍然是困难的。

如图15所示，在步骤h)之前，也可以形成棒9，因此在步骤h)期间形成没有第二材料8的孔10。应该注意到，一旦移走棒9，最终部件因此正好穿有孔10，如图17所示。棒9以非限制的方式可通过使用正性或负性光敏树脂的光刻形成。

优选地，中空部填充步骤h)通过电沉积或热变形执行。第二材料优选是金属或金属合金，所述金属或金属合金可以是或者可以不是非晶态的。然而，可以改变沉积的类型和/或沉积材料的性质。

因此，在第三实施例中，可使用可选的步骤g)将所述层7、27的厚度限制在所述凹腔3、23中，而且使第二材料的沉积物8相对于所述限制部分是平的。

也显然，可以获得与在前两个实施例中的一样复杂的微机械部件。通过非限制性示例，图18示出了根据第三实施例可获得的微机械部件31。微机械部件31包括基本上环状的盘33，齿圈35从盘的周边垂直地伸出来，其它部分由步骤h)的沉积物8形成的部分32填充，留下例如与枢转销配合工作的孔38。因此，齿圈35的厚度由在该方法的步骤e)中沉积的层7、27的厚度e1和在步骤h)中获得的沉积物8形成。

图19至图20示出了上述第一实施例和第二实施例的第四替代实施例。步骤a)至步骤e)与第一实施例和第二实施例的相同。然而，如图19所示，在步骤e)之后执行第六步骤h)，步骤h)在于用第二材料28填充覆盖有第一材料7、27的腔3、23的中空部。因此，在与前三个实施例类似的并在图20中示出的步骤f)之后，获得了由第一材料7、27制成的微机械部件，该第一材料7、27通过第二材料28得到加强和/或装饰有第二材料28，并且该微机械部件具有与前三个实施例相同的变型和优点。

根据与第三实施例相同的优点，可以在部件上覆盖薄层，这在以前是不可能的，因为薄层沉积需要特殊的条件，例如压力、温度或所使用的化合物。通过非限制性示例，且有利地根据本发明的第四实施例，因此可以由沉积物28形成主要是金属的部件，该部件覆盖有由层7、27形成的金刚石层，而目前据申请人所知，用金刚石覆盖金属部件仍然是困难的。

与第三实施例的步骤h)相比，根据第四实施例的步骤h)用于填充腔3、23的中空部，并有利地也形成厚度e3的凸出层，以形成微机械部件的附加功能元件。

第四实施例的步骤h)优选包括在步骤e)之后在衬底1、21上构造模子30的阶段。然后，是填充由腔3、23的中空部和模子30的孔共同形成的凹槽的阶段。最后，步骤h)包括从衬底1、21的表面上移走模子30的阶段。

构造模子30的阶段例如可通过使用正性或负性光敏树脂的光刻形成。此外，填充阶段例如可使用电镀执行。如果衬底1、21由导电材料例如高掺杂硅制成，则电镀更容易执行。第二材料优选是金属或金属合金，所述金属或金属合金可以是或者可以不是非晶态的。然而，可以改变沉积的类型和/或沉积材料的性质。

如图19所示，可以在形成模子30的同时形成棒29，因此在步骤h)中形成没有任何第二材料28的孔20。应该注意到，一旦移走棒29，最终部件因此正好穿有孔20，如图20所示。

步骤h)还可包括研磨和/或抛光沉积物28的顶部的最终步骤。因此，在第四实施例的最终步骤f)中，该方法在于移走衬底1、21，以释放至少部分在腔3中形成的微机械部件，该步骤具有与在第一实施例中的相同的变型和优点。

在步骤f)的最后，如图20所示，获得了仅由层7、27形成的微机械部件，该部件的几何形状与腔3、23至少部分匹配，其中层27通过沉积物28得到加强和/或装饰有沉积物28。有利地，外底表面由层7、27形成，即，该表面直接与衬底1、21接触，具有非常好的粗糙度，即可与衬底1的粗糙度相当，并且该外底表面优选用作机械接触表面。

微机械部件还包括完全由沉积物28形成--即，没有层7、27--的第二较高层，以形成微机械部件的附加功能元件。该功能元件可以以非限制的方式是例如用于与另一元件合作的齿圈22、孔20和/或台肩24。

如在前三个实施例中的一样，由于缩短了层7、27的沉积步骤，因此显然节约了材料成本和生产成本，该部件的其它部分由不太昂贵的沉积物28形成，还提供了潜在地非常复杂的几何形状。

因此，显然可以获得与在前三个实施例中的微机械部件具有相同复杂度的微机械部件。图21通过非限制性示例示出了可根据第四实施例获得的微机械部件41。微机械部件41包括基本上环状的盘43，该盘43可与图18的盘33相当，齿圈45从盘43的周边垂直地伸出来，剩余部分由在步骤h)的沉积物28形成的部分42填充，留下例如与枢转销配合工作的孔48。因此，齿圈45的厚度由在该方法的步骤e)中沉积的层7、27的厚度e1和在步骤h)中获得的沉积物28的厚度形成。在仅由沉积物28形成的第二层上，微机械部件41包括轮44，该轮44的周边包括齿圈46，且该轮44的中心具有例如用于与枢转销配合工作的延伸孔48。

当然，本发明并不限于图示的示例，而是可以具有本领域技术人员想到的各种变型和改变。尤其是，可以在同一衬底上同时制造几个可以具有或可以不具有相同设计的微机械部件。此外，可以使用衬底1、21的底部部分。

因此，不仅可在衬底1、21上形成几个相同或不同的腔3、23，而且也可形成在衬底1、21的不同面上，即，本方法的各种实施例的步骤都可应用于衬底1、21的几个面。

Claims

1.一种在单块材料上制造微机械部件(11，31，41)的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a)形成衬底(1，21)，该衬底包括用于待制造的所述微机械部件的凹腔(3，23)；

b)在所述衬底(1，21)的一部分上形成牺牲层(5，25)；

c)在所述衬底(1，21)上沉积用于形成萌发点的颗粒(6，26)；

d)移走所述牺牲层(5，25)，以选择性地使所述衬底(1，21)的一部分没有任何颗粒(6，26)；

e)通过化学气相沉积沉积第一材料(7，27)层，使得所述第一材料只在所述颗粒(6，26)保留的地方沉积；

f)移走所述衬底(1，21)，以释放在所述凹腔中形成的所述微机械部件(11，31，41)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤f)之前，该方法包括以下步骤：

g)从所述衬底(1，21)上去除比所沉积的第一材料(7，27)层的厚度(e1)大的厚度(e2)，以便使在所述凹腔中的所述第一材料层具有有限厚度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b)通过光刻实现。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c)包括以下阶段：

1)使用含有所述颗粒的胶状溶液覆盖所述衬底(1，21)；

2)从所述胶状溶液中去除溶剂，以在所述衬底(1，21)上只留下所述颗粒(6，26)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述颗粒(6，26)与在步骤e)中沉积的所述第一材料(7，27)具有相同的性质。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤e)中沉积的所述第一材料(7，27)由碳的同素异形体形成。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤e)中沉积的所述第一材料(7，27)由硅基化合物形成。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤e)之后，该方法包括以下步骤：

h)用第二材料(8，28)填充覆盖有在步骤e)中沉积的所述第一材料(7，27)的腔(3，23)，以便获得由所述第一材料制成的微机械部件(31，41)，所述第一材料通过所述第二材料(8，28)得到加强和/或装饰有所述第二材料(8，28)。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤h)中，所述第二材料(28)形成为从所述凹腔伸出来，以便形成所述微机械部件(41)的附加功能元件(20，22，24，44)。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二材料(8，28)包括金属或金属合金。