JP2015210270A - 強化した時計部品を製造する方法、時計部品および時計 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的特性を向上させたシリコン製の時計部品の製造方法を提供する。
【解決手段】微細機械加工可能な素材から部品１０を製造する製造方法であって、部品１０は時計部品の半完成品を形成し、少なくとも１つの初期粗さを有する表面を含む。製造方法は、表面の粗さを減少させるエッチング流体内での部品１０の機械的強化処理のステップを含む。微細機械加工可能な素材の基板を提供し、基板の少なくとも一部を、少なくとも一つの開口を有する保護コーティングで被膜し、基板を保護コーティングの開口を通じてエッチングしてエッチングされた表面を形成し、機械的強化処理を保護コーティングの開口を通じてエッチングされた表面へ適用し、その後保護コーティングを除去する。エッチング流体は、プラズマまたは液体化学エッチング液であてよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばシリコンなどの微細機械加工可能な素材から時計部品を製造する方法に関する。

シリコンは、時計部品の製造に関して多くの利点を有する素材である。その一方でシリコンは多くの小さな部品をミクロンレベルの精密性で同時に製造することを可能とする。また、シリコンは低密度で反磁性の性質を有している。しかしながら、シリコン素材は一つ欠点を有している。シリコンの塑性変形領域は、小さいかもしくは全くないため、比較的脆弱な素材である。機械的歪みまたは衝撃によって部品が割れる可能性がある。そのためシリコン製の時計部品の取り扱いは、特に製造時及び組立時には、特に慎重な作業を要する。

シリコン基板から時計部品を切断するのに用いられる技術、一般には例えばディープエッチング技術、深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）は、シリコン時計部品のもろさがさらに際立つ。こうしたタイプのエッチングの特殊性の一つとして、エッチングにより、わずかに筋がついた側壁を有する開口であって、側壁の表面に、波状または業界では「スカラップ模様」として知られる形状を取る平面性を損なう開口が形成されることにある。このため、エッチングされた側壁はある程度の粗さがあり、これにより部品の機械的強度が減少する。更に、平面性が損なわれることにより、特に機械的歪みにより亀裂開始因子として作動する可能性があり、部品の破損につながる可能性がある。

シリコン製の時計部品の機械的特性を向上させるため、いくつかの取り組み方が提案されている。

特許文献１に開示する第一の取り組みは、９００℃から１２００℃の間の温度での、シリコンの熱酸化による酸化シリコン層の形成に関する。形成された酸化物層は、部品表面のシリコンが酸化シリコンへ転換することによって生じる。酸化シリコンはその後分解される。酸化シリコン層の形成とその分解により、潜在的に欠陥及びまたは亀裂開始因子を含むシリコンの表面部分を除去することができる。

特許文献２に開示する第二の取り組みは、エッチングにより得られたシリコン部品（すなわち半完成品の時計部品）に対して還元雰囲気において約１０００℃の温度で焼きなまし処理を行うことに関する。当該文献によれば、焼きなまし処理により、シリコン原子が移動し、原子が（スカラップ模様の先端や縁など）凸状の角から移動して凹状の角に蓄積するため、側壁の粗さを減少させ縁を丸めることができる。

欧州特許出願公開第２２７７８２２号 スイス特許第７０３４４５号

本発明は、今までに提案された取り組みに代わる取り組みを提供する。

この目的のため、本発明は、時計部品を製造する方法であって、前記時計部品の半完成品を形成する部品は、微細機械加工可能な素材から生産され、当該部品は少なくとも初期粗さを有する１つの表面を含み、前記表面の前記粗さを減少させるエッチング流体により前記部品を機械的に強化するステップを含む方法に関する。

「流体」の文言はここでは、文言の物理学的意味で使われる。物理学において、「流体」は物質の相の部分集合を形成し、物質の相は液体、気体、及びプラズマ（及びある程度までは、一定の可塑性固体）を含む。

好ましくは、エッチング流体による前記部品の機械的強化ステップは、等方性型である。

本発明の方法は、高温を必要としないという利点を有する。

ある特定の実施形態において、前記方法は、
前記微細機械加工可能な素材の基板を提供するステップと、
前記基板の少なくとも一部を、少なくとも一つの開口を有する保護コーティングで被膜するステップと、
前記保護コーティングの前記開口を通じて前記基板をエッチングすることによりエッチングされた表面を得るステップと、
前記機械的強化処理を、前記保護コーティングの前記開口を通じて前記エッチングされた表面へ適用するステップと、
その後、前記保護コーティングを除去するステップと、
を備えている。

従来技術の２つの取り組みは、シリコン部品の側壁の表面欠陥を減少させることを目的としているが、以下の潜在的な望ましくない効果を含んでいる。第一の取り組みによると、部品の寸法が実質的に変更され、第二の取り組みによると、縁が丸められる。

本発明によれば、エッチング流体による処理を、部品上に保護コーティングが存在するままの状態で行うことができる。このため、エッチングされた表面のみが選択的に処理され平滑化され、保護コーティングで被膜された表面はエッチングされないまま残る。こうした選択的な機械的強化処理は、エッチング用に既に作成された保護コーティングを再利用するため、追加のステップを必要としないことから、簡単に実施することができる。このため、エッチング用に保護された表面（例えば、研磨され鏡面仕上げされた、シリコンウエハの上面と底面）は処理によりエッチングされず、そのため処理により損害を受けるおそれもない。更に、本発明による処理では、縁が丸められることもない。

機械的強化処理は、プラズマ処理または液体化学エッチング液内の処理であってもよい。プラズマは、ハロゲン含有気体、特にフッ素または塩素含有気体、から形成されてもよい。この場合、有利なことに、半完成品の部品はプラズマ処理中に電気的にバイアスされる。これにより、プラズマエッチングは、電界が最大の各点、換言すれば部分の表面から突出する先端や突起に、集中する。これは、表面の粗さを平滑化する効果がある。

好ましくは、本方法は、以下の追加的特徴の全てまたは一部を含む。
前記プラズマは、ハロゲン含有気体、特にフッ素または塩素含有気体、から形成される。
前記部品は、前記プラズマ処理中に電気的にバイアスされる。
前記液体化学エッチング液は、酸または塩基を含み、特に水酸化カリウム、またはフッ化水素酸、硝酸及びまたは酢酸の混合物を含む。
開口は、前記基板を貫いてエッチングされ、前記エッチング処理は前記基板の前記開口の前記側壁に適用される。
前記基板は、ディープエッチング、特に深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）によりエッチングされる。
前記保護コーティングは、フォトレジストまたは酸化シリコンで形成される。及びまたは 前記半完成品の部品は、ＬＩＧＡ技術またはレーザ切断技術を用いて形成される。

本発明はまた、上述の製造方法で得られた時計部品に関し、当該時計部品を組み込む時計部品に関する。

本発明による時計部品の製造方法の特定の一実施例、及びその変形例に関する以下の記載に基づき、添付図面を参照することにより、本発明をさらに理解することができる。

図１は、特定の一実施例による、本発明の方法を実施するための時計部品の処理用のツールを示す。 図２は、処理のステップのフローチャートを示す。

本発明の方法は、微細機械加工可能な素材から、強化された機械的特性を有する時計部品を作成可能とする。説明的且つ非制限的な例として、これら部品は、歯車、がんぎ車、針、振り石、アンクルまたはばね、特に戻りばねまたはヒゲゼンマイ（渦巻きばね）、でありうる。

図２は、本発明の第一の実施形態に基づき、時計部品製造方法の様々なステップを示すものである。

本第一の実施形態によれば、方法は、細機械加工可能な素材から作成された基板を提供することからなる、最初のステップＥ０を含む。基板は例えばシリコンウエハであり、以後Ｓｉ−ＷＦと表示する。別の例として、石英、ダイヤモンド、または他の時計部品製造に適した微細機械加工可能な素材から作成された基板を代わりに用いてもよい。

続くステップＥ１において、ウエハＳｉ−ＷＦの表面全体、特にその二面（前面および背面）が、保護コーティングで被膜される。変形例として、例えば前面など、二面のうち一面のみを保護コーティングで被膜してもよい。保護コーティングＲは、ここでは、前面はフォトレジストから作成される。

方法はその後、保護コーティングＲ上にレジストパターンを作成するステップＥ２に続く。レジストパターンは、フォトレジストＲの層を貫通する開口を形成することで製造される。開口を含む保護コーティングＲは、保護マスクＭを形成する。開口は、レジストをマスクにより露出し、その後レジストを現像する（すなわち、レジストがポジであるかネガであるかに応じて、現像剤を用いてレジストの露出部または非露出部を分解させる）ことで作成可能である。別の例として、レジストは、レーザーアブレーション技術を用いて、または電子ビームを当てた後、現像することで、除去することもできる。

ステップＥ２は、保護マスクＭを通して、ここでは深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）により、シリコンウエハをエッチングするステップＥ３に続く。エッチングステップＥ３では、１つ以上の開口または穴Ｔが、マスクＭ内の１つ以上の開口と垂直にシリコンＳｉ−ＷＦにエッチングされる。エッチングされた穴Ｔは、好ましくはウエハＳｉ−ＷＦを貫通する。しかしながら、１つ以上の止り穴をエッチングすることも可能である。

ＤＲＩＥエッチング技術は、指向性を有する。ＤＲＩＥエッチング技術は、交互の周期によるプラズマエッチングを適用することにより、各穴Ｔの底をエッチングし、新たにエッチングされた側壁に保護層を堆積させる。このため、シリコンのエッチングは、保護マスクＭを通るがマスクの下には延長しないよう、各開口と垂直にのみに延長する穴Ｔを形成するよう指向される。交互のプラズマエッチング及び側壁への保護層の体積は、側壁の表面に、表面を粗くする、いわゆる「スカラップ模様」の形状を有する平面性への欠陥を形成する。

エッチングステップＥ３は、エッチングにより得られたシリコン部品を機械的に強化するステップＥ４に続き、当該部品は半完成品の時計部品を形成する。機械的強化処理は、直前のステップＥ３においてエッチングされた表面を、この場合はエッチングにより形成された穴の側壁を、流体内で処理（特に、再エッチング）することからなる。

ここに説明する実施形態では、側壁に用いられる処理はプラズマ処理である。プラズマは、フッ素含有ガス（例えば、ＮＦ_３、ＣＦ_４またはＳＦ_６）または塩素含有ガスなどのハロゲン含有ガスを用いて形成されてもよい。また、ヘリウムまたはアルゴンなど非反応性希釈ガスを含んでもよい。

また、プラズマ処理中、シリコン基板は電気的にバイアスされる。シリコンをバイアスすることで、電界がより強い部分に、換言すれば部品の表面から突出する先端や突起に、プラズマエッチングを集中させることができる。

例えばＳＦ_６を含有するガスから発生するプラズマによる、プラズマ処理の条件やパラメータは、以下のようなものでありうる。
ＳＦ_６を１０容積％から８５容積％の間の範囲で含有するガス、
１から２００ｓｃｃｍの間の範囲の流量を有するガス流、
０．１Ｐａから５Ｐａの間の範囲の、室内ガス圧、
５００Ｗから３０００Ｗの間の範囲の、プラズマ源電源、
−１０Ｖから−４０Ｖの間の範囲の、基板のバイアス、
２０℃から１２０℃の間の範囲の、基板温度、及び
３０秒から３００秒の間の範囲の、処理時間。

プラズマ処理は、エッチングされた穴の側壁を平滑化する効果を有し、そのため側壁の粗さを減少させる効果を有する。基板のバイアスはまた、プラズマ処理の平滑化効果を強化する。エッチングされた穴の側壁の平面性への欠陥は、これにより大きく減少または除去され、シリコン部品の機械的特性、特に機械的強度の向上が得られる。更に、処理された表面のトライボロジー摩擦性能が向上する。

見解として、実行されたプラズマ処理は、等方性のエッチングを形成する。このような特徴は、平滑化する表面の平面の向きとは独立した、均等な腐食（エッチング）速度を含む。平坦な表面のない部品が存在するため、この方法は、処理の存続時間にかかわらず、均質且つ十分な結果が得られることを可能とする。

図１は、平滑化プラズマ処理を実行する処理ツールを示す。ツール６は、容器８により閉じられる反応室１を含む。反応室１は、丸で示される前駆体ガスの入口２に対して、前駆体ガスからそれぞれ三角と四角で示されるイオンとラジカルとを生成することを意図する誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）室３を経由して、接続される。反応室１はまたポンピング出口４を含み、ポンピング出口４を経由して、反応室１からイオン及びラジカルが排出される。処理すべき部品を保持するためのホルダー５が、反応室１内に位置される。図１に示すように、ホルダー５は電圧発生装置７に接続され、電圧発生装置７はまた容器８とも接続される。発生装置７は、ホルダー５に載置された処理すべき部品にバイアスをかける。

機械的強化処理は、シリコン基板上に保護マスクＭが存在する状態で実施される。これにより、処理は選択的に、即ち、レジストで覆われていない表面のみに適用される。このため、エッチングされた開口の側壁は、選択的に平滑化される。レジストで覆われた表面は保護されたままであり、部品の仕上げを実質的に損なう潜在的な危険性のある、プラズマ処理による損害を受けるおそれがない。これは、表面が研磨された鏡面仕上げである場合に顕著である。こうした表面は、機械的強化プラズマ処理によりわずかに損害を受ける。保護レジストコーティングはこうした表面を完全に非処理とすることを可能とする。更に、処理の選択的性質により、部品の前面とシリコン内の開口の側壁の間に面の形成や縁の丸みを阻止することができる。

本方法の他の利点は、平滑化及び機械的強化処理ステップＥ４に続き、部品の前部及びまたは背面をマスキングする選択的な追加のステップを実行することなく、追加の層を側壁のみの上に選択的に堆積できることである。加えて、当該堆積の付着は、ステップＥ４の完了で得られた粗さの減少により、強化される。

本処理は、レジストを分解するという従来の方法でマスクＭを除去するステップＥ５に続く。

本処理によると、レジストを除去後、任意で、ステップＥ６からＥ８で行われる二重熱酸化を含むことができる。ステップＥ６において、酸化シリコン ＳｉＯ_２ の第一層Ｃ１が、シリコンの表面を熱酸化することにより形成され、レジストを除去するステップＥ５後に得られた部品の全表面がこの方法で酸化される。ステップＥ７において、酸化層Ｃ１が、例えばフッ化水素酸溶液を用いた化学的エッチングにより除去される。続いてステップＥ８において、酸化シリコンの第二層Ｃ２が、シリコンの表面を熱酸化することにより形成され、先行するステップＥ７で得られた部品の全表面がこの方法で酸化される。第一酸化層Ｃ１の形成とその除去により、ステップＥ６において酸化シリコンに転換されたシリコンの部分に最初から存在した表面欠陥を除去することが可能となる。第二酸化層Ｃ２の形成により、更に表面欠陥を除去することが可能となる。特に、シリコン表面を酸化シリコンに転換することで、必要であれば、表面の微細開口を消失させ微細亀裂を封鎖することができる。

二重酸化の代わりに、酸化と酸化層の除去のステップＥ６及びＤ７のみを行ってもよく、酸化ステップＥ６のみを行ってもよい。

プラズマの代わりに、機械的強化ステップＥ４は流体、特に液体で、塩基または酸を含む化学的エッチング液を用いてもよい。好ましくは、等方性作用を有する流体、例えばフッ化水素酸の塩基（ＨＮＡ）を含む混合物が望ましい。これは、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）または水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）といった他の流体との処理による異方性効果を防止するためである。

異方性強化処理を用いることは、シリコンの異なる平面に対する異なる腐食速度を理由として、保護コーティングで限定される部品の形状を微視的に変更するおそれがある。初期では円形のマイクロエッチングが長方形になりかねない。このような異方性処理は、本発明の第二の実施形態として維持される。

ステップＥ４において、ステップＥ３で得られた処理すべき部品を、これら流体エッチング液の１つを含むバスに事前に設定した時間の長さだけ浸すこともできる。

流体化学エッチング液は、素のシリコン表面、すなわちエッチングされた開口の側壁を、直接エッチング可能とし、素の表面を化学エッチングにより平滑化可能とする。保護コーティングＲの性質は、使用する液体化学エッチング液に適合される。いずれの場合でも、コーティングＲの厚みと、液体化学エッチング液の浴へ浸す時間の長さは、液体化学エッチング液のバス内での処理を通じて、保護コーティングが包含する表面を効果的に保護するよう適合される。

上記説明において、シリコン部品を機械的に強化するステップＥ４は、保護コーティングの除去前に行われている。変形として、当該ステップは、レジストが除去された後に、または１以上の酸化ステップ（Ｅ６からＥ８）の後に、行うこともできる。

保護コーティングは、フォトレジストの代わりに、酸化シリコンＳｉＯ_２で形成されてもよい。

本発明によれば、機械的強化処理（ステップＥ４）を、エッチング以外の技術、例えばＬＩＧＡ技術やレーザ切断技術を用いて製造された部品（時計部品または半完成の時計部品）に適用することができる。レジストモールドからＬＩＧＡにより製造された部品の場合、プラズマエッチング（または流体化学エッチング液）により、レジストモールドと接触した部品の表面を平滑化することができる。レーザ切断で製造された部品の場合、プラズマエッチング（または流体化学エッチング液）により、レーザで切断された表面を平滑化することができる。

本発明はまた、上述した製作方法で製作された時計部品に関し、当該時計部品を組み込んだ時計にも関する。

１ 反応室
２ 入口
３ 誘導結合プラズマ室
４ ポンピング出口
５ ホルダー
６ ツール
７ 電圧発生装置
８ 容器

Claims (15)

1. 時計部品を製造する方法であって、
   前記時計部品の半完成品を形成する部品は、微細機械加工可能な素材から生産され、当該部品は、少なくとも初期粗さを有する１つの表面を含み、
   該方法は、前記表面の前記粗さを減少させるエッチング流体により前記部品を機械的に強化するステップ（Ｅ４）を含む、
   時計部品を製造する方法。
2. エッチング流体による前記部品の前記機械的強化処理は、等方性型である、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記微細機械加工可能な素材の基板を提供する（Ｅ０）ステップと、
   前記基板の少なくとも一部を、少なくとも一つの開口を有する保護コーティングで被膜する（Ｅ１〜Ｅ２）ステップと、
   前記保護コーティングの前記開口を通じて前記基板をエッチングしてエッチングされた表面を得る（Ｅ３）ステップと、
   前記機械的強化処理（Ｅ４）を、前記保護コーティングの前記開口を通じて前記エッチングされた表面へ適用するステップと、
   その後、前記保護コーティングを除去する（Ｅ５）ステップと、
   を含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記機械的強化処理（Ｅ４）は、プラズマ処理または液体化学エッチング液による処理である、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記プラズマは、ハロゲン含有気体から、特にフッ素または塩素含有気体から形成される、
   請求項４に記載の方法。
6. 前記部品は、前記プラズマ処理中に電気的にバイアスされる、
   請求項４または５に記載の方法。
7. 前記液体化学エッチング液は、酸または塩基を含み、特に水酸化カリウム、またはフッ化水素酸、硝酸及びまたは酢酸の混合物を含む、
   請求項４に記載の方法。
8. 開口は、前記基板を貫いてエッチングされ、前記エッチング処理は前記基板の前記開口の前記側壁に適用される、
   請求項３から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記基板は、ディープエッチング、特に深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）によりエッチングされる、
   請求項３から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記保護コーティングが、フォトレジストまたは酸化シリコンで形成される、
    請求項３から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記半完成品の部品は、ＬＩＧＡ技術またはレーザ切断技術を用いて形成される、
    請求項１に記載の方法。
12. 前記微細機械加工可能な素材は、シリコン、ダイヤモンド、及び石英からなる群から選択される素材の１つである、
    請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記時計部品は、歯車、がんぎ車、針、振り石、アンクル、及びばね、特に戻りばねまたはヒゲゼンマイからなる群から選択される要素の１つである、
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法により得られる、時計部品。
15. 請求項１４に記載の時計部品を含む、時計。

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