DE102008061182A1

DE102008061182A1 - Verfahren zum Herstellen eines Mikrobauteils

Info

Publication number: DE102008061182A1
Application number: DE102008061182A
Authority: DE
Inventors: Konrad Damasko
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-12-04
Filing date: 2008-12-09
Publication date: 2010-06-10

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Mikrobauteils, insbesondere eines Mikrobauteils für ein mechanisches Uhrwerk einer Armbanduhr durch Laserschneiden aus einer Nutzschicht, die aus Siliziumcarbid, polykristallinem Silizium oder einem keramischen Werkstoff besteht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Mikrobauteils, insbesondere eines Mikrobauteils für ein mechanisches Uhrwerk einer Armbanduhr gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, welches es ermöglicht Mikrobauteile, insbesondere auch solche für mechanische Uhrwerke von Armbanduhren in besonders rationeller und präzisier Weise herzustellen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.
Mikrobauteile im Sinne der Erfindung sind insbesondere solche für mechanische Uhrwerke von Armbanduhren, beispielsweise Unruh- oder Spiralfedern für das mechanische Schwingsystem (Unruh) von mechanischen Uhrwerken für Armbanduhren, aber u. a. auch Anker, Zahnräder, Ankerräder usw.
Die Herstellung der Mikrobauteile erfolgt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise im Mehrfachnutzen, und zwar in der Form, dass jeweils mehrere Mikrobauteile in dem während der Herstellung verwendeten Wafer erzeugt werden, und zwar in der Form, dass jedes Mikrobauteil nach dem Laserschneiden in dem Wafer bzw. in dem von diesem Wafer gebildeten Rahmen noch über wenigstens einen Materialsteg gehalten ist, sodass sich eine vereinfachte Handhabung der Mikrobauteile nicht nur bei einer Nachbehandlung, sondern insbesondere auch bei der weiteren Verarbeitung, z. B. bei der Montage ergibt.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 in vereinfachter Darstellung und in Draufsicht einen Wafer mit mehreren jeweils durch ein Laserschneid-Verfahren hergestellten Spiralen für ein mechanisches Schwingsystem eines mechanischen Uhrwerks für Armbanduhren;
2 in vergrößerter Darstellung ein Detail der 1;
3 in Positionen a–d verschiedene Verfahrensschritte zum Herstellen der Spiralen bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 in verschiedenen Positionen a–e Verfahrensschritte bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In den Figuren ist 1 ein Wafer, aus welchem durch Laser-Schneiden eine Vielzahl von Mikro-Bauteilen in Form von Spiralfedern 2 erzeugt sind, und zwar in der Form, dass nach dem Laserschneiden die einzelnen Spiralfedern 2 jeweils noch über einen in der 2 dargestellten dünnen Materialsteg 2.1 mit dem restlichen Wafer 1 verbunden sind und durch Durchtrennen oder Brechen dieser Materialstege 2.1 vereinzelt werden können. Die Spiralfedern 2 bestehen jeweils aus einem spiralförmigen Federkörper 3, der an einem Ende der Spiralfeder einstückig mit einer Befestigungsöse 4 und am anderen Ende mit einem Befestigungsabschnitt 5 zum Befestigen an einer Unruh-Welle hergestellt ist. Im Bereich der Öse 4 befindet sich der jeweilige Materialsteg 2.1.
Die 3 zeigt in den Positionen a–d ein weiteres Verfahren zum Herstellen des die Mikrobauteile bzw. Spiralfeder 2 aufweisenden Wafer 1. Auf der Oberseite eines plattenförmigen Trägermaterials oder Trägerschicht 6, welche beispielsweise aus Silizium oder Siliziumcarbid besteht (Si, SiC) wird eine Trenn- und/oder Zwischenschicht 7 aufgebracht, die z. B. aus Siliziumoxid (SiO2) besteht und eine Dicke im Bereich zwischen 1 und 2 μm aufweist. Die Trenn- und/oder Zwischenschicht 7 kann auch eine Klebeschicht, z. B. eine Schicht aus UV oder aus Zyanacrylatkleber sein.
Auf die Zwischen- und/oder Trennschicht 7 wird eine Schicht aus Siliziumcarbid (SiC) oder aus polykristallinen Silizium (Poly-Si) oder aus einem keramischen Werkstoff aufgebracht, und zwar beispielsweise durch Epitaxie oder Sublimation, sodass die in der Position a dargestellte Schichtfolge 9 erhalten ist. Die Dicke der Nutzschicht 8 ist gleich der Höhe der hergestellten Mikrobauteile bzw. Spiralfedern 2 und beträgt beispielsweise ca. 120 μm.
Mit Hilfe eines Lasers erfolgt dann das Ausschneiden der einzelnen Mikrobauteile bzw. Spiralfedern 2. Der Laserschnitt 10 wird dabei so durchgeführt, dass er durch die Nutzschicht 8, sowie auch durch die Zwischen- und/oder Trennschicht 7 bis in die Trägerschicht 6 hineinreicht, sodass die Gesamtschnitttiefe des Laserschnitts bei einer Dicke der Nutzschicht 8 von ca. 120 μm und einer Dicke der Trenn-Schicht 7 von 1 bis 2 μm etwa 130 μm beträgt.
In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt dann das Trennen der Nutzschicht 8 bzw. der durch das Laserschneiden erzeugten Mikrobauteile bzw. Spiralfedern 2, und zwar durch Wegätzen der Trennschicht 7 unter Verwendung von HF. Alternativ hierzu können auch Lösungsmittel und/oder Wärme verwendet werden, insbesondere dann, wenn die Zwischen- und/oder Trennschicht 7 aus einer Klebeschicht besteht.
Bevorzugt erfolgt das Trennen durch Einlegen der aus den Schichten 6–8 gebildeten Schichtfolge 9 nach dem Laserschneiden in eine Ätzflüssigkeit oder in eine andere das Trennen der Zwischenschicht 7 bewirkenden Flüssigkeit, sodass nach dem Trennen die obere, den Wafer 1 mit den an diesem gehaltenen Mikrobauteilen bzw. Spiralfedern bildende Nutzschicht 8 in der zum Trennen verwendeten Flüssigkeit aufschwimmt und problemlos dieser Flüssigkeit entnommen werden kann.
Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, die aus den Schichten 6–8 bestehende Schichtfolge 9 nach dem Laserschneiden und vor dem Abtrennen der Nutzschicht 8 einer Nachbehandlung zu unterziehen, beispielsweise einer weiteren Ätzbehandlung zum polieren oder glätten.
Nach dem Trennen der Nutzschicht 8 von der Zwischenschicht 7 und der Trägerschicht 6 erfolgt dann beispielsweise aus Gründen der Stabilität und aus Gründen der Verbesserung der tribologischen Eigenschaften der hergestellten Mikrobauteile bzw. Spiralfedern 2 noch eine Beschichtung, wie dies in der Position d mit 11 angedeutet ist. Als Beschichtungsmaterial eignet sich hierbei z. B. Siliziumoxid, Siliziumdioxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid und/oder eine DCL-Beschichtung oder CVD-Behandlung. Auch bei diesem weiteren Verfahrensschritt sind die Mirkobauteile bzw. Spiralfedern 2 bevorzugt noch an der den Wafer 1 bildenden Nutzschicht 8 gehalten, sodass ein einfaches Handling der Mirkobauteile bzw. Spiralfedern 2 möglich ist. Die Mikrobauteile bzw. Spiralfedern 2 werden dann auch nach der Beschichtung bevorzugt erst kurz vor dem Einbau aus dem Wafer 1 durch Brechen des jeweiligen Steges 3 herausgelöst.
Die 4 zeigt in den Positionen a–e ein weiteres Verfahren zum Herstellen des die Mikrobauteile bzw. Spiralfeder 2 aufweisenden Wafer 1. Das in der Position a dargestellte Ausgangsmaterial für dieses Verfahren ist wiederum die Schichtfolge 9, die aus dem Trägermaterial oder der Trägerschicht 6 z. B. aus Silizium, aus der Zwischen- und/oder Trennschicht 7 aus Siliziumoxid (SiO2) mit einer Dicke z. B. im Bereich zwischen 1 und 2 μm sowie aus der oberen Nutzschicht 8 besteht, die aus Siliziumcarbid (SiC), polykristallinen Silizium (Poly-Si) oder einem keramischen Werkstoff besteht und die beispielsweise durch Epitaxie oder Sublimation erzeugt ist und deren Schichtdicke der Höhe des herzustellenden Mikrobauteils bzw. der herzustellenden Spiralfeder 2 entspricht. Die Dicke der Nutzschicht 8 ist beispielsweise ca. 120 μm.
Durch Laserschneiden werden in der Nutzschicht 8 wiederum die Mikrobauteile oder Spiralfedern 2 erzeugt. Der jeweilige Laserschnitt 10 wird so ausgeführt, dass er nicht nur durch die Nutzschicht 8 und die Zwischenschicht 7 durchreicht, sondern auch in die Trägerschicht 6 hineinreicht. Bei der angenommenen Dicke der Nutzschicht 8 von ca. 120 μm und der angenommenen Dicke der Zwischen- und/oder Trennschicht 7 von etwa 1 bis 2 μm beträgt dann die Tiefe des Laserschnittes etwa 125 bis 130 μm (Position b).
In einem nächsten Verfahrensschritt erfolgt von der Unterseite der Schichtfolge 9 ein Wegätzen der Trägerschicht 6 bis zu der als Stoppschicht wirkenden Zwischen- und/oder Trennschicht 7 (Position c). In einem weiteren Verfahrensschritt werden die Reste der Zwischen- und/oder Trennschicht 7 entfernt (Position d). Im Anschluss daran werden die an dem von der Nutzschicht 8 gebildeten Wafer über die Stege 3 gehaltenen Mikrobauteile bzw. Spiralfedern 2 mechanisch und/oder chemisch bearbeitet, beispielsweise poliert und im Anschluss daran wiederum beschichtet, beispielsweise mit Siliziumoxid, Siliziumdioxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder DLC-beschichtet, wie dies in der Position d mit der Beschichtung 11 angedeutet ist.
Bei diesem in der 4 dargestellten Verfahren verbleiben die Rest der Trägerschicht 6 an der Nutzschicht 8 und bilden somit eine das Handling vereinfachende Verstärkung der Nutzschicht 8 bzw. des von dieser gebildeten Wafers 1.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren besteht darin, dass durch den Schichtaufbau 9 während des Laserschneidens, aber auch nach dem Laserschneiden für die hierbei erzeugten Mikrobauteile oder Spiralfedern 2 weiterhin Bestandteil eines absolut stabilen und einstückigen System sind, und zwar bis zum Trennen der Nutzschicht 8 von den restlichen Schichten 6 und 7. Durch die Anordnung der einzelnen Mikrobauteile bzw. Spiralfedern 2 in dem Wafer 8 bzw. durch die Verbindung dieser Bauteile über die Stege 2.1 mit dem Wafer 1 sind die Mikrobauteile bzw. Spiralfedern 2 auch bei der jeweiligen Nachbehandlung und bis zu ihrer Verwendung geschützt in dem verbleibenden Wafer bzw. Waferrahmen angeordnet. Außerdem können die Mikrobauteile bzw. Spiralfedern 2 für Arbeitsgänge, die nach dem Trennender Nutzschicht 8 von den übrigen Schichten 6 und 7 erfolgen und beispielsweise zum Polieren der Mikrobauteile bzw. Spiralfedern 2, zum Aufbringen der Beschichtung 11 usw. dienen, einfach gehandhabt werden.
Der Schichtaufbau 9 garantiert insbesondere auch beim Laserschneiden absolut stabile, schwingungsfreie Verhältnisse, sodass die Herstellung des jeweiligen Mikrobauteils bzw. der jeweiligen Spiralfeder 2 mit hoher Präzision möglich ist.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
So wurde die Erfindung vorstehend an Verfahren zur Herstellung der Spiralfedern 2 für die Unruh bzw. das Schwingsystem eines mechanischen Uhrwerks für eine Armbanduhr beschrieben. Selbstverständlich eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zum Herstellen von anderen Mikrobauteilen, insbesondere auch zum Herstellen von anderen Mikrobauteilen für Armbanduhren, beispielsweise zum Herstellen von Ankern, Ankerrädern, Zahnrädern usw.
Vorstehend wurde davon ausgegangen, dass die Nutzschicht 8 durch epitaktisches Abscheiden oder Sublimation hergestellt ist. Auch andere Herstellungsverfahren sind möglich. Ist die Zwischen- und/oder Trennschicht 7 eine Kleberschicht, so besteht insbesondere die Möglichkeit, die Schichtfolge 9 durch Aufkleben der gesondert hergestellten Nutzschicht 8 auf die Trägerschicht zu realisieren.

1: Wafer
2: Mikrobauteil bzw. Spiralfeder
2.1: Materialsteg
3: Federkörper
4: Öse
5: Befestigungsabschnitt
6: Trägerschicht oder -substrat
7: Zwischen- und/oder Trennschicht
8: Nutzschicht
9: Schichtfolge
10: Laserschnitt
11: Beschichtung

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Mikrobauteils, insbesondere eines Mikrobauteils für ein mechanisches Uhrwerk einer Armbanduhr, durch Laserschneiden aus einer Nutzschicht (8), die aus Siliziumcarbid, polykristallinen Silizium oder einem keramischen Werkstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer Schichtfolge (9), die aus einer Trägerschicht (6), einer auf einer Oberflächenseite der Trägerschicht (6) aufgebrachten Zwischenschicht (7) sowie aus der auf der Zwischenschicht aufgebrachten Nutzschicht (8) besteht, Ausschneiden wenigstens eines Mikro-Bauteils (2) aus der Nutzschicht (8) durch Laserschneiden, wobei das Laserschneiden so erfolgt, dass der beim Laserschneiden erzeugte Laserschnitt durch die Nutzschicht (8) und die Zwischenschicht (7) bis in die Trägerschicht (6) hineinreicht, und Trennen der Nutzschicht (8) mit dem wenigstens einen Mikrobauteil (2) von den weiteren Schichten (6, 7) oder dem diese Schichten bildenden Material.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das Laserschneiden so erfolgt, dass das wenigstens eine Mikrobauteil (2) über wenigstens einen Materialsteg (2.1) mit der restlichen Nutzschicht (8) verbunden bliebt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Trennen der Nutzschicht (8) von den weiteren Schichten (6, 7) oder dem Material dieser Schichten eine Nachbehandlung des wenigstens einen Mikrobauteils (2), beispielsweise eine mechanische oder chemische Oberflächenbehandlung und/oder eine Beschichtung erfolgt, beispielsweise zur Erzeugung einer Oberflächenbeschichtung (11) aus Siliziumoxid, Siliziumdioxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder DLC.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzschicht eine Dicke von etwa 120 μm und/oder die Zwischen- und/oder Trennschicht eine Dicke von etwa 1–2 μm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischen- und/oder Trennschicht (7) aus Siliziumoxid (SiO2) besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischen- und/oder Trennschicht (7) aus einem Kleber, beispielsweise aus einem UV-härtbaren Kleber oder einem Zyanacrylatkleber
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (6) aus Silizium (Si) oder Siliziumcarbid (SiC) besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzschicht (8) durch Epitaxie oder Sublimation hergestellt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Laserschneiden die Trägerschicht (6) und die Zwischenschicht (7) von der Nutzschicht (8) entfernt werden, beispielsweise unter Verwendung eines Ätz-Mittels, eines Lösungsmittels und/oder unter Anwendung von Wärme.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen der Zwischenschicht (6) und der Trägerschicht (6) durch Einbringen der Schichtfolge (9) in ein flüssiges Medium erfolgt, und zwar derart, dass die Nutzschicht (8) nach dem Entfernern der Zwischen- und/oder Trennschicht (7) und der Trägerschicht (6) in diesem Medium aufschwimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Laserschneiden zunächst die Trägerschicht (6) beispielsweise durch Ätzen entfernt wird, und dass dann in einem weiteren Verfahrensschritt die an der Nutzschicht (8) bzw. an dem wenigstens einem Mikrobauteil verbliebenen Reste der Zwischen- und/oder Trennschicht (7) entfernt werden, vorzugsweise durch Ätzen, beispielsweise mit HF.