CN113253594A - 尤其用于钟表的具有柔性条带的一件式硅装置的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种尤其用于钟表的具有柔性条带(2,3)的一件式硅装置，例如具有交叉的条带的枢轴，并涉及用于制造该装置(1)的方法。所述方法包括以下步骤：‑由SOI型晶片形成(21)一件式硅装置(1)的坯件，所述装置(1)包括两个柔性条带(2,3)，每个柔性条带形成于所述SOI型晶片的不同层中，所述条带(2,3)布置在两个不同的基本上平行的平面中，所述条带(2,3)通过间隙(7)分隔开，‑在至少一个所述条带(2,3)的与所述间隙相邻的表面上生长第一二氧化硅层，该第一二氧化硅层由一个或更多个所述柔性条带(2,3)的第一硅子层形成，‑去除第一二氧化硅层，以增加两个柔性条带(2,3)之间的间隙(7)。

Description

尤其用于钟表的具有柔性条带的一件式硅装置的制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造尤其用于钟表的具有柔性条带的一件式硅装置的方法，所述一件式硅装置例如为具有交叉条带的枢轴，所述枢轴作为补偿器与已知的惯性摆轮配合，以形成具有预定频率的谐振器。

背景技术

基于柔性条带的振荡器通常由硅制成，因此受益于这种材料在微加工(DRIE)方面的性能。这些振荡器的一个特殊类别是具有所谓“交叉条带”的枢轴，其中，两个条带形成在两个基本上平行的平面的两个独立层中，并且相互交叉。这些枢轴允许元件——例如振荡机构的摆轮或擒纵机构的擒纵杆——可旋转地振荡。

这些枢轴可以用不同的方法制造。第一种方法包括：分别制造两个条带并将它们组装在一起，同时在条带之间留有间隙。这种方法允许在条带之间选择足够的间隙，以防止它们相互碰撞。然而，条带之间的相互关系并不总是精确的，这就降低了枢轴在计时方面的性能水平。

第二种方法包括：通过加工SOI类型的硅晶片的两层来制造一件式枢轴。这种方法可非常有效地布置条带彼此之间的关系，但它不允许条带之间有足够宽的安全间隙，以防止它们在枢轴工作时相互碰撞。更具体地说，间隙取决于用于结合两层SOI晶片的氧化层的厚度，该厚度远小于所需的安全间隙。

发明内容

本发明的目的是，通过提出一种用于制造具有柔性条带的一件式硅装置的方法，来克服上述全部或部分缺点，对于这种装置，条带平面之间的安全间隙足够大，特别是就其宽度而言。

为此，本发明涉及一种用于制造尤其用于钟表的具有柔性条带的一件式硅装置的方法，例如具有交叉条带的枢轴，该方法包括以下步骤:

-由SOI型晶片形成一件式硅装置的坯件，所述一件式硅装置包括两个柔性条带，每个柔性条带形成于所述晶片的不同层中，所述柔性条带布置在两个不同的基本上平行的平面中，所述柔性条带通过间隙分隔开，

-在至少一个所述柔性条带的与所述间隙相邻的表面上生长第一二氧化硅层，所述第一二氧化硅层由一个或更多个所述柔性条带的第一硅子层形成，

-去除所述第一二氧化硅层，以增加所述两个柔性条带之间的间隙。

因此获得了在条带之间具有足够的安全间隙以防止条带在所述装置工作时碰撞的具有柔性条带的装置，例如具有交叉条带的枢轴。更具体地说，当二氧化硅层在硅上生长时，硅子层本身就被氧化了，这样当二氧化硅层被蚀刻去除时，硅子层就从初始硅质量块去除了。因此，与初始硅体积相比，最终硅体积减小。

因此，通过这种效果，通过重复包括生长二氧化硅并然后去除二氧化硅层的操作，可以增加条带之间的间隙。每去除一次二氧化硅层，间隙就增加一次。

根据本发明的一个具体实施例，该方法包括以下步骤:

-在至少一个所述柔性条带的与所述间隙相邻的表面上生长第二二氧化硅层，该第二二氧化硅层由一个或更多个所述柔性条带的第二硅子层形成，

-去除所述第二二氧化硅层，以进一步增加所述两个柔性条带之间的间隙。

根据本发明的一个具体实施例，多次重复执行生长二氧化硅层和去除二氧化硅层的连续步骤，以增加所述两个柔性条带之间的间隙，以便达到所需的宽度。

根据本发明的一个具体实施例，该一件式硅装置的坯件包括在交叉点处通过连接部连接的交叉的柔性条带，所述连接部至少部分由二氧化硅制成，该方法包括从所述柔性条带之间的连接部去除二氧化硅的步骤，以便通过在所述柔性条带之间产生所述间隙来将所述柔性条带分隔开。

根据本发明的一个具体实施例，每个二氧化硅层均通过使用气相氟化氢蚀刻来去除。

根据本发明的一个具体实施例，通过硅的湿氧热氧化或干氧热氧化来生长二氧化硅。

根据本发明的一个具体实施例，所述一件式硅装置的坯件通过深反应离子蚀刻——例如化学蚀刻——来生产。

根据本发明的一个具体实施例，二氧化硅层的每次生长和去除都能够从所述柔性条带去除至少0.10微米厚、优选至少0.40微米厚的硅子层。

根据本发明的一个具体实施例，该方法包括在所述一件式硅装置上生长附加的氧化层的附加步骤，以便根据温度热调整所述一件式硅装置的刚度，以便特别是对由摆轮枢轴组件构成的振荡器进行温度补偿，和/或对所述一件式硅装置进行加强。

根据本发明的一个具体实施例，该方法包括沉积导电层的附加步骤，以避免与静电电荷积累或吸湿有关的问题。

根据本发明的一个具体实施例，该方法包括确定所述一件式硅装置的初始刚度和计算其尺寸的步骤，以获得具有所期望的最终刚度的枢轴。

根据本发明的一个具体实施例，形成所述一件式硅装置的坯件的步骤包括以下子步骤:

-获取SOI型晶片，该晶片依次包括第一硅层、二氧化硅结合层和第二硅层；

-在所述晶片的表面上生长二氧化硅层；

-通过预先形成的掩模蚀刻在所述晶片的第一侧上的所述二氧化硅层；

-进行深反应离子蚀刻过程，以形成具有柔性条带的一件式硅装置的至少第一柔性条带；

-通过预先形成的第二掩模蚀刻在所述晶片的第二侧上的所述二氧化硅层，优选地，该第二掩模与在所述晶片的第一侧上形成的图案对准；

-进行深反应离子蚀刻过程，以形成具有柔性条带的一件式硅装置的至少第二柔性条带。

根据本发明的一个具体实施例，在该方法的步骤完成后，在所述柔性条带之间所获得的最小的间隙的宽度大于10微米，优选大于15微米。

本发明还涉及一种尤其用于钟表的具有柔性条带的一件式硅装置，该一件式硅装置例如为包括交叉的两个柔性条带的枢轴，该一件式硅装置是通过根据本发明的方法获得的，所述两个柔性条带通过间隙分隔开，该间隙的宽度大于10微米，优选大于15微米。

本发明还涉及一种钟表机芯，该钟表机芯包括具有柔性条带的上述装置。

附图说明

参考附图从以下描述中将清楚地看到其他具体特征和优点，该描述作为粗略的指南，而绝非限制性指南，其中:

-图1是根据本发明的具有交叉条带的枢轴的俯视图；

-图2是根据本发明的具有交叉条带的枢轴的透视图；

-图3是根据本发明的方法获得的具有交叉条带的枢轴的侧视图；

-图4是示出根据本发明的用于制造具有交叉条带的一件式柔性硅枢轴的方法的不同步骤的框图；

-图5是可用于制造该枢轴的晶片的剖面图；

-图6示出根据本发明的方法的第一步骤之后获得的具有交叉条带的枢轴的侧视图；

-图7示出根据本发明的方法的第二步骤之后获得的具有交叉条带的枢轴的侧视图；

-图8示出根据本发明的方法的第三步骤之后获得的具有交叉条带的枢轴的侧视图；

-图9示出根据本发明的方法的第四步骤之后获得的具有交叉条带的枢轴的侧视图；

-图10示出根据本发明的方法的第五步骤之后获得的具有交叉条带的枢轴的侧视图；

-图11示出根据本发明的方法的第六步骤之后获得的具有交叉条带的枢轴的侧视图。

具体实施方式

本发明涉及一种尤其用于钟表的具有柔性条带的一件式硅装置，特别是如图1至图3所示的具有交叉条带的枢轴1，并且本发明还涉及用于制造所述一件式硅装置的方法，使得可以获得在条带之间具有足够宽的间隙以防止条带在使用过程中相互碰撞的一件式枢轴。

这种枢轴1包括第一元件5、第二元件6以及两个交叉条带2、3，这两个交叉条带2、3将两个元件5、6连接起来。这两个条带2、3连接到每个元件5、6，枢轴1制成单个零件。例如，第一元件5是用于将该枢轴紧固到钟表机芯的支承件，第二元件6是必须被枢转的部件。例如，这种部件是钟表机芯的擒纵杆、摆轮或摆轮支承件。两个条带2、3在两个元件5、6之间在交叉点4处交叉。由于柔性的条带2、3，第二元件6能够相对于第一元件5围绕虚拟轴线运动。因此，第一元件5在钟表机芯中是静止的，而第二元件6经历周期性的往复运动。条带2、3向侧面弯曲，以允许第二元件6朝一个方向运动，然后朝另一个方向运动。

条带2、3布置在两个平行的平面内，这两个平行的平面通过最小间隙7间隔开，以防止条带2、3在柔性枢轴工作过程中相互碰撞，特别是在严重变形的情况下。

使用例如硅基材料的材料来制造枢轴1，提供了使用现有蚀刻方法所带来的精确性和具有良好的机械和化学性能的优点，特别是对磁场的敏感性很小或没有敏感性。

优选地，所使用的硅基材料可以是不管其晶体方向如何的单晶硅，不管其晶体方向如何的掺杂单晶硅，非晶态硅，多孔硅，多晶硅，氮化硅，碳化硅，不管其晶体方向如何的石英，或二氧化硅。

因此，本发明涉及一种用于制造尤其用于钟表的具有由硅制成的交叉的柔性条带2、3的枢轴1的方法20，如图4所示。

该方法20包括制造硅枢轴坯件的第一步骤21。此步骤21包括获取如图5所示的SOI型晶片10，该晶片10由两个硅层11和12组成，这两个硅层11和12通过第一二氧化硅层13结合在一起。所述硅层11、12形成于单晶硅板中(其主要方向可以改变)。每个硅层11、12将允许制造具有交叉条带2、3的枢轴1的不同条带。因此，条带2、3布置在两个不同的高度处。第一氧化层13用于紧密结合两个硅层11和12。此外，它还将在随后的操作中作为屏障层使用。

在同一晶片中可形成多个枢轴坯件。

随后，通过将一个或多个晶片暴露于高温氧化气氛中，在所述硅层11、12的表面上生长第二二氧化硅层14。所述二氧化硅层14根据待图案化的所述硅层11、12的厚度而变化。它通常在1到4微米之间。

随后，将例如在正极光刻胶中使用掩模限定随后在硅晶片10中要产生的图案。所述图案包括所述枢轴的至少一个条带。同一枢轴的两个条带分别在两个单独的硅层11和12上制造。所述条带一个接一个地制造出来。

该步骤21包括以下操作:

-将光刻胶例如通过旋转涂覆沉积在厚度在1至2微米之间的非常薄的层中，

-一旦干燥，就使用光源通过光刻掩模(覆盖有铬层的透明板，本身包括所需图案)暴露具有光刻特性的所述光刻胶；

-在正性光刻胶的特定情况下，用溶剂去除光刻胶的曝光区，从而显露出第一氧化层13。在这种情况下，仍然覆盖着光刻胶的区域限定在随后的硅深反应离子蚀刻工艺(也称为“DRIE”)中不被蚀刻的区域。

因此利用曝光区或相反地光刻胶覆盖区。第一蚀刻处理允许将在前述步骤中在光刻胶中限定的图案转移到之前生长的二氧化硅14上。为了考虑制造过程的可重复性，二氧化硅通过等离子体干法蚀刻进行图案化，该等离子体干法蚀刻是定向的，可以再现作为本操作的掩模的光刻胶侧壁的质量。

掩模也可以直接在晶片上使用，这种掩模被称为硬掩模，如二氧化硅、氮化硅或金属掩模。这些掩模事先按照适当的图案进行图案化处理，在使用时可能包含或可能不包含光刻胶。

一旦二氧化硅在光刻胶的开放区域被蚀刻，第一顶层11的硅表面因此暴露出来并准备DRIE。在DRIE过程中，根据是否将光刻胶用作掩模，可以保留或可以不保留光刻胶。

暴露出来且没有受到二氧化硅保护的硅在垂直于晶片表面的方向上被蚀刻(

各向异性DRIE)。首先在光刻胶中并然后在二氧化硅中形成的条带图案“投影”到层11的厚度中。

当蚀刻开口到结合两个硅层11和12的第一二氧化硅层13中时，蚀刻停止。更具体地说，以二氧化硅为例，二氧化硅在

过程中起掩膜的作用，并且本身能抵抗蚀刻过程，埋藏的氧化层13具有相同的性质，也能抵抗蚀刻过程。

因此，第一硅层11通过限定的图案以贯通其厚度的方式被图案化，该图案至少代表待制造(现在通过DRIE实现)的枢轴坯件的第一条带。化学蚀刻也可以用于相同的硅基材料。

条带保持刚性连接到第二硅层12，它们通过第一埋藏的二氧化硅层13与第二硅层12结合。

在第二硅层12上进行相同的光刻操作，以形成具有交叉条带的枢轴的另一条带。为此，将晶片10翻转过来，在其上沉积光刻胶，然后通过掩模曝光，以便以类似于第一硅层11的方式对第二硅层12进行图案化。

对于蚀刻晶片，存在其他替代性实施例，这些实施例当然可以用于这种方法，无论是用光刻胶掩模还是所谓的硬掩模。

优选地，在晶片10的每个硅层11、12上制造条带2、3期间，也形成枢轴1的第一和第二元件5、6。

在这个点处，两个条带2、3在条带2、3的交叉点4处连接在一起，以便形成连接部8。所述连接部8至少部分地包含来自用于连接所述第一和第二硅层11、12的二氧化硅层13的二氧化硅。优选地，连接部8完全由二氧化硅制成。枢轴1的坯件如图6所示。条带2、3布置在两个不同的基本平行的平面内，条带2、3在这两个平面之间通过连接部8连接。

方法20的第二步骤22包括：去除条带2、3的连接部8处的二氧化硅，以通过在条带2、3之间产生间隙7来分隔它们。因此，使用气相氟化氢蚀刻二氧化硅层13。

结果，获得了通过间隙7分隔开的两个条带2、3，该间隙7允许条带相对于彼此移动。所获得的间隙7具有与所述连接部的氧化层的厚度相对应的宽度D，所述连接部的氧化层的厚度也就是所述晶片的氧化层的厚度。

然而，这个厚度不足以避免条带2、3在枢轴1的工作过程中相互碰撞的风险。更具体地说，第一二氧化硅层13对于使条带2、3相距足够远来说太薄了。

方法20继续进行以下步骤，即，从条带去除材料，直到达到获得具有足够宽度D的间隙7和足够的条带刚度所需的尺寸。为此，在后续步骤中减小条带2、3的厚度。

为了增加条带2、3之间的间隙7的宽度D，第三步骤骤23包括在条带2、3的紧邻间隙7的表面上生长第一二氧化硅层15。第一二氧化硅层15部分地由形成枢轴1的硅子层形成。更确切地说，当二氧化硅在硅上生长时，二氧化硅在其上生长的硅子层本身就被氧化了。因此，二氧化硅的生长是以二氧化硅在其上生长的硅为代价的。换句话说，二氧化硅不仅在硅上生长，而且也在硅内生长。

例如，这种相可以通过热氧化得到。例如，这种热氧化过程可以在800至1200摄氏度的温度下在使用水蒸气或双氧气的氧化气氛中进行，以在条带上形成二氧化硅。在这个步骤23中，利用了二氧化硅以均匀的方式生长的事实，并且由此产生的厚度和氧化速率优选地由本领域技术人员控制，从而确保了氧化层的均匀性。

在第四步骤24中，从每个条带2、3去除第一二氧化硅层15，以获得如图9所示的枢轴1。因为所述硅子层已经被氧化，它也被去除。因此，两个条带2、3之间的间隙7增加了。这种去除过程是通过化学蚀刻实现的。例如，可以使用气相氢氟酸基溶液进行这种化学蚀刻，该溶液允许去除二氧化硅。

优选地，多次重复连续的二氧化硅层生长步骤和二氧化硅层去除步骤的步骤对。因此，可以增加两个条带2、3之间的间隙7的宽度D，以达到所需的间隙宽度。

例如，如图10所示，第五步骤25包括在条带2、3的位于间隙两侧的表面上生长第二二氧化硅层17，第二二氧化硅层17部分地由条带2、3的第二硅子层形成。然后，在第六步骤26中，从每个条带2、3去除第二二氧化硅层17，以进一步增加两个条带2、3之间的间隙7。

例如，每次生长和去除二氧化硅层都能够从每个条带2、3去除厚度至少0.10微米、优选厚度大于0.40微米的硅子层。例如，在所述方法的所述步骤之后，条带2、3之间的间隙7的期望最小宽度D大于10微米，优选大于15微米。尽管如此，宽度可以在两个值之间自由调整，一个值对应于用于结合两个硅层的初始氧化层的厚度，另一个较高的值可达到15微米以上，该较高的值受到所执行的操作次数的限制。

晶片10的初始二氧化硅层13的厚度为例如2微米，该厚度限定在去除连接部8之后的晶片2、3之间的初始间隙。因此，为了获得至少10微米的间隙，需要连续进行多对二氧化硅生长步骤和去除步骤。为了减少操作次数，可以增加条带的氧化时间，从而消除较厚的硅子层。优选地，开始时执行较短的生长步骤，随后逐渐增长。

该方法还可以包括附加步骤27，该附加步骤27设计成确定柔性条带的初始刚度，特别是为了能够修改尺寸和获得特定的所追求的物理性能。

最后，一旦枢轴1加工到正确的尺寸，另一可选附加步骤28可包括再次氧化枢轴1，以便用二氧化硅层覆盖它，以形成热补偿的枢轴1和/或以加强该枢轴。在振荡器的情况下，该最终氧化允许调节未来枢轴1的机械性能(刚度)和热性能(温度补偿)。

在另一可选的附加步骤中(图中没有显示)，在枢轴上沉积导电层，以避免与静电电荷积累或吸湿有关的问题。为此，首先在枢轴1上沉积氧化层，然后通过PVD型工艺沉积导电层。所述导电层包括例如铬、镍、铜、钛、锆、镍磷或钛钨。

不言而喻，本发明不限于所示的例子，而是可做出对本领域技术人员而言很显然的各种变型和修改。因此，可以生产其他类型的具有柔性条带的一件式硅装置，例如具有不交叉的条带和/或具有不是旋转运动而是平移运动的条带的装置。

Claims (15)

1.一种用于制造尤其用于钟表的具有柔性条带(2,3)的一件式硅装置(1)的方法(20)，所述一件式硅装置例如为具有交叉的柔性条带的枢轴，其特征在于，该方法包括以下步骤:

-由SOI型晶片形成(21)一件式硅装置(1)的坯件，所述一件式硅装置(1)包括两个柔性条带(2,3)，每个柔性条带形成于所述晶片的不同层中，所述柔性条带(2,3)布置在两个不同的基本上平行的平面中，所述柔性条带(2,3)通过间隙(7)分隔开，

-在至少一个所述柔性条带(2,3)的与所述间隙(7)相邻的表面上生长(23)第一二氧化硅层(15)，所述第一二氧化硅层(15)由一个或更多个所述柔性条带(2,3)的第一硅子层形成，

-去除所述第一二氧化硅层(15)，以增加所述两个柔性条带(2,3)之间的间隙(7)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:

-在至少一个所述柔性条带(2,3)的与所述间隙(7)相邻的表面上生长(25)第二二氧化硅层(17)，该第二二氧化硅层(17)由一个或更多个所述柔性条带(2,3)的第二硅子层形成，

-去除(26)所述第二二氧化硅层(17)，以进一步增加所述两个柔性条带(2,3)之间的间隙。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，多次重复执行生长(23,25)二氧化硅层(15,17)和去除(24,26)二氧化硅层(15,17)的连续步骤，以增加所述两个柔性条带(2,3)之间的间隙(7)，以便达到所需的宽度(D)。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该一件式硅装置(1)的坯件包括在交叉点(4)处通过连接部(8)连接的交叉的柔性条带(2,3)，所述连接部(8)至少部分由二氧化硅制成，该方法包括从所述柔性条带(2,3)之间的连接部(8)去除二氧化硅的步骤(22)，以便通过在所述柔性条带(2,3)之间产生所述间隙(7)来将所述柔性条带分隔开。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，每个二氧化硅层(15,17)均通过使用气相氟化氢蚀刻来去除。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过硅的湿氧热氧化或干氧热氧化来生长(23,25)二氧化硅。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述一件式硅装置(1)的坯件通过深反应离子蚀刻来生产。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述二氧化硅层(15,17)的每次生长(23,25)和去除(22,24)都能够从所述柔性条带(2,3)去除至少0.10微米厚、优选至少0.40微米厚的硅子层。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该方法包括在所述一件式硅装置(1)上生长附加的氧化层的附加步骤(27)，以便根据温度热调整所述一件式硅装置的刚度，以便特别是对由摆轮枢轴组件构成的振荡器进行温度补偿，和/或对所述一件式硅装置进行加强。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该方法包括确定一件式硅装置的初始刚度和计算其尺寸的步骤(28)，以获得具有所期望的最终刚度的所述一件式硅装置(1)。

11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该方法包括沉积导电层的附加步骤。

12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，形成所述一件式硅装置(1)的坯件的步骤(21)包括以下子步骤:

-获取SOI型晶片(10)，该晶片依次包括第一硅层(11)、二氧化硅结合层(13)和第二硅层(12)；

-在所述晶片(10)的表面上生长二氧化硅层(14)；

-通过掩模蚀刻在所述晶片(10)的第一侧上的所述二氧化硅层(14)；

-进行深反应离子蚀刻过程，以形成具有柔性条带的一件式硅装置(1)的至少第一柔性条带(2)；

-通过预先形成的第二掩模蚀刻在所述晶片(10)的第二侧上的所述二氧化硅层(14)，优选地，该第二掩模与在所述晶片的第一侧上形成的图案对准；

-进行深反应离子蚀刻过程，以形成具有柔性条带的一件式硅装置(1)的至少第二柔性条带(3)。

13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在该方法的步骤完成后，在所述柔性条带(2,3)之间所获得的最小的间隙(7)的宽度(D)大于10微米，优选大于15微米。

14.一种尤其用于钟表的具有柔性条带的一件式硅装置(1)，该一件式硅装置例如为包括交叉的两个柔性条带(2,3)的枢轴，其特征在于，该一件式硅装置(1)是通过根据权利要求13所述的方法获得的，所述两个柔性条带通过间隙(7)分隔开，该间隙(7)的宽度大于10微米，优选大于15微米。

15.一种钟表机芯，其特征在于，该钟表机芯包括根据权利要求14所述的具有柔性条带的一件式硅装置。

Images