JP2016173356A - シリコン製機械部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン製機械部品を、シリコン基板から精度よく且つ充分な耐衝撃性及び耐久性を有するように、しかも効率よく製造できるようにする。
【解決手段】部品形成工程でシリコン基板２０をエッチング加工して機械部品であるひげぜんまい１０を形成し、水素アニール処理工程で、そのひげぜんまい１０に水素アニール処理を施して各角部にＲを付ける。部品形成工程では、機械部品であるひげぜんまい１０が、シリコン基板２０のエッチングされなかった部分に接続部１４である一部分だけで接続した状態で、そのエッチングされなかった部分に支持されるようにエッチング加工するとよい。水素アニール処理は、８００℃から１２００℃の高温水素雰囲気中で予め設定した時間だけ行う。
【選択図】図１

Description

この発明は、機械式時計用部品等のシリコン製機械部品の製造方法に関する。

機械式時計は、歩度（一日あたりの時計の進み又は遅れの程度）を一定に保つために、ひげぜんまいとテン輪等によって構成する調速機構（てんぷ）が用いられている。ひげぜんまいは、優れた等時性を有するように設計され、そのひげぜんまいのバネ力によって、てんぷは規則正しく往復運動を行う。

さらに、そのてんぷにはガンギ車とアンクルで構成される脱進機構が接続されており、ひげぜんまいからエネルギーが伝達されて、てんぷの往復運動が回転運動に変換される。
ひげぜんまいは、通常、金属を加工して形成されるが、加工精度のばらつきや金属が有する内部応力の影響などによって、設計通りの形状が得られない場合が多い。

そこで、金属材料ではなく、シリコン材料を用いて、エッチング技術によってひげぜんまいを製造する提案がなされている。エッチング加工技術は、よく知られているように、シリコン材料を高精度に加工することが可能であり、一般的な金属によるひげぜんまいよりも加工精度のばらつきが少ないので、設計どおりの形状のひげぜんまいを製造することができる。
また、シリコンは金属よりも温度特性が良好なので、金属よりも環境温度に対して変形しにくいという特徴がある。

しかしながら、シリコン等の結晶構造を有する材料は脆性材料であるので、それを用いたひげぜんまいは耐衝撃性や耐久性などに問題があった。
そのため、例えば特許文献１には、シリコン等の結晶構造を有する材料で形成したひげぜんまいの表面に、金属等の導電性材料層を成膜して機械的な強度を高めることが提案されている。

特開２００７−２５６２９０号公報（第４頁、図２）

しかしながら、上述した方法でひげぜんまいの強度を高めるには、シリコン等をエッチング加工して形成したひげぜんまいの表面に、導電性材料層を均一に成膜する作業工程が不可欠となる。このような導電性材料層をひげぜんまいの表面に均一に形成することは難しく、ひげぜんまいの形状にばらつきが生じ、等時性が悪化してしまうことがある。また、ひげぜんまいの製造工程が複雑になり、量産性に大きな問題が生じる。
このような問題は、機械式時計に使用する他の部品、例えばガンギ車、アンクル、歯車等、あるいは一般の精密機器等に使用する機械部品をシリコン等で製造する場合にも、同様に生じる。

この発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、機械式時計用部品等のシリコン製機械部品を、精度よく且つ充分な耐衝撃性及び耐久性を有するように、効率よく製造できるようにすることを目的とする。

この発明によるシリコン製機械部品の製造方法は、上記の目的を達成するため、シリコン基板をエッチング加工して機械部品を形成する部品形成工程と、その部品形成工程で形成された上記機械部品に水素アニール処理を施して機械部品の角部を丸くする水素アニール処理工程とを有することを特徴とする。
上記部品形成工程では、上記機械部品が上記シリコン基板のエッチングされなかった部分に一部分だけで接続した状態で、該エッチングされなかった部分に支持されるようにエッチング加工するとよい。

上記表面処理を施す工程における表面処理が水素アニール処理であるとよく、その場合、８００℃から１２００℃の高温水素雰囲気中で予め設定した時間アニール処理を行うとよい。
上記機械部品として、機械式時計の調速機構又は脱進機構を構成する部品、特にシリコン製ひげぜんまいを製造するとよい。

この発明によるシリコン製機械部品の製造方法によれば、機械式時計用部品等の機械部品を、精度よく且つ充分な耐衝撃性及び耐久性を有するように、比較的短時間で効率よく製造することができる。

この発明による製造方法で製造するシリコン製機械部品の一例であるひげぜんまいの製造中の状態を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面の端面図である。 この発明で実施する水素アニール処理に関する説明図である。 シリコン製機械部品に変位荷重を加えて、それによる最大主応力を計測する様子を模式的に示す斜視図である。 図４に示したシリコン製機械部品の各稜線に沿う角部を丸くしＢ−Ｂ線に沿って断面にした拡大断面図である。 変位荷重５μｍのときのＲ径をパラメータとする最大主応力の計測結果を示す線図である。 酸化膜除去によってシリコン部材の角部を丸くする方法を説明するための断面工程図である。 ひげぜんまいを構成するぜんまい部の一部を示す斜視図である。 水素アニール処理を施す前のシリコン部材の試料の一部を示す断面図である。 第１の実験条件で水素アニール処理を施した後の図９と同様な断面図である。 第２の実験条件で水素アニール処理を施した後の図９と同様な断面図である。 この発明の一実施形態であるひげぜんまいの製造方法を説明するための工程を示す断面図である。 この発明の他の実施形態であるガンギ車の製造方法を説明するための平面図とそのＤ−Ｄ線に沿う断面の端面図である。 この発明のさらに他の実施形態であるアンクルの製造方法を説明するための平面図とそのＥ−Ｅ線に沿う断面の端面図である。 この発明によるアンクルの製造方法の他の実施形態を説明するための図１２と同様な工程図である。

以下、この発明を実施するための形態を図面に基づいて具体的に説明する。
〔ひげぜんまいの製造方法〕
先ず、この発明による製造方法で製造するシリコン製機械部品の一例であるひげぜんまいについて、図１及び図２によって説明する。図１はそのひげぜんまいの製造中の状態を示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面の端面図である。

ひげぜんまい１０は、機械式時計の調速機構に使用する部品であり、細い渦巻き形状のぜんまい部１１、そのぜんまい部１１の中心に位置するひげ玉１２、そのぜんまい部１１の終端に位置するひげ持ち１３が一体に構成されている。そして、この製造工程では、シリコン基板２０をエッチング加工して形成されたひげぜんまい１０が、ひげ持ち１３に続く幅の狭い接続部１４である一部分のみで、シリコン基板２０のエッチングされなかった部分に接続されている。
したがって、接続部１４を切り離すだけで、このひげぜんまい１０をシリコン基板２０から分離して取り出すことができる。

２０ａは、このひげぜんまい１０を形成するために、シリコン基板２０にエッチング加工によって形成された渦巻き形状の隙間（空間）である。
ひげ玉１２は、回転軸体と嵌合する貫通孔１２ａを有している。また、ひげ玉１２とぜんまい部１１とは接続部１５によって接続されている。すなわち、ぜんまい部１１は、接続部１５を介してひげ玉１２を中心にひげ玉１２を巻回している形状である。

このひげぜんまい１０の大きさは特に限定されないが、その一例をあげると、図２に示すようにぜんまい部１１の幅をｂ、厚みをｔとしたとき、ｂ＝１００〜３００μｍ、ｔ＝２０〜７０μｍ程度であり、大凡の直径は５〜７ｍｍ程度の範囲である。

このように、シリコン基板をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）技術等でエッチング加工して形成したひげぜんまい１０のようなシリコン部材１は、そのＲＩＥ加工表面に図３の（ａ）に示すような連続した凹面状のえぐれ（スキャロップ）やマイクロクラック等のミクロな凹凸が発生しており、縁部はエッジ状の角になっている。それらが、このようなシリコン部材１の耐衝撃性や耐久性を低下させる原因となっている。

そこで、この発明による製造方法では、シリコン基板をエッチング加工して形成したシリコン製機械部品であるひげぜんまい１０（図３ではシリコン部材１）に水素アニール処理を施して、角部に丸み（「Ｒ：アール」という)を付ける。その水素アニール処理は、高温の水素雰囲気中で行う。
水素アニールにおける水素の役割は未だ完全には解明されていないが、最近の研究で、シリコン基板表面を水素終端することによって、清浄なシリコン基板表面が得られるという報告がなされている。清浄なシリコン（Ｓｉ）表面原子は、表面エネルギーが高い凸部から、表面エネルギーが低い凹部へ、つまりエネルギー的に安定な方向へ拡散して、図３の（ｂ）に示すようにシリコン部材１の表面を平滑化し、角部を丸くする、すなわちＲを付ける作用をなす。

それによって、シリコン製機械部品の形状及び寸法を保持したまま、エッチング加工のときに形成されたスキャロップ等の加工荒れを除去して平滑化し、角部に丸み（Ｒ）を付けることができ、シリコン製機械部品の強度を向上させ、耐衝撃性及び耐久性を高めることができる。

〔角部にＲを付けた場合の効果について〕
ここで、シリコン部材の角部にＲを付けた場合の効果について、図４〜図６を用いて説明する。
図４は、シリコン部材に変位荷重を加えて、それによる最大主応力を計測する様子を模式的に示す斜視図である。
このシリコン部材１は、図４でＺ方向の長さａ、Ｙ方向の幅（高さ）ｂ，Ｘ方向の厚みｃの直方体の試料である。この試験例では、ａ＝２００μｍ、ｂ＝１５０μｍ、ｃ＝５０μｍの寸法のシリコン部材１を使用した。

このシリコン部材１のＺ方向の両端部を、それぞれ三角柱の支持体２の頂部稜線で支持して固定端とする。そして、上面におけるＺ方向の中央でＸ方向の厚み（太線で示す）の中央点に、太線矢印Ｌで示す方向に、この点を５μｍ押し下げる変位荷重を印加する。その際、シリコン部材１の下面の変位荷重印加点と対向する点に太い破線矢印Ｓで示す方向に発生する最大主応力を測定した。

図５は、図４に示したシリコン部材１の各稜線に沿う角部にＲを付けてＢ−Ｂ線に沿って断面にした拡大断面図である。
図６は、図４及び図５に太線矢印Ｌで示す方向の変位荷重が５μｍのとき、Ｒ径（図５で角部に付けたＲの半径、「フィレット径」とも云う）をパラメータとする、太い破線矢印Ｓで示す方向の最大主応力の計測結果を示す線図である。横軸は図５でＸ方向の厚みｃの中央点を原点とするＸ座標〔μｍ〕を、縦軸は最大主応力〔Ｍｐａ〕をそれぞれ示す。
各曲線は上から下へ順に、Ｒ径が０、１、２、３、４、５〔μｍ〕の場合の各最大主応力特性を示している。

この図６に示す計測結果から明らかなように、Ｒ径が０のとき、すなわちシリコン部材１の各稜線に沿った角部にＲが付いておらず、角部が直角を成しているときに最大主応力が最も大きく、破損し易いことが分かる。そして、角部にＲを付け、そのＲ径を大きくする程、最大主応力が減少して破損し難くなる。
したがって、シリコン製機械部品にも、その各稜線に沿う角部に部品の性能に影響を与えない範囲で適切なＲ径のＲを付けることによって、その耐衝撃性及び耐久性を高めることができることが分かった。

〔酸化膜除去によりＲを付けた場合の問題点〕
シリコン部材の角部にＲを付ける方法としては、酸化膜除去による方法があり、それを図７によって説明する。図７は、酸化膜除去によってシリコン部材の角部にＲ付けする方法を説明するための断面工程図である。
まず、Ｓｔｅｐ１の工程で、直方体のシリコン（Ｓｉ）部材１を数時間から数日かけて熱酸化し、その表面に酸化膜（ＳｉＯ_２膜）３を形成する。それによって、酸化処理後のシリコン部材１′の各稜線に沿う角部における酸化膜３の内側に内側Ｒが、外側に外側Ｒが形成される。

その後、Ｓｔｅｐ２の工程で、フッ酸等によって酸化膜３を除去すると、シリコン部材１′の各稜線に沿う角部に内側Ｒが残り、各角部にＲが付く。
例えば、１．１μｍ程度の膜厚の酸化膜を形成するとＲ径０．５μｍ程度のＲをシリコン部材１′の角部に付けることができるが、酸化膜の形成に８時間程度を要する。
また、４．５μｍ程度の膜厚の酸化膜を形成するとＲ径２μｍ程度のＲをシリコン部材１′の角部に付けることができるが、酸化膜の形成に約４日かかる。

また、シリコン部材１の表面に熱酸化によって酸化膜３が形成される際に、表面部のシリコンＳｉが酸化して二酸化珪素ＳｉＯ_２になるため、その酸化膜３を除去した後のシリコン部材１′の外形寸法は、当初のシリコン部材１の外形寸法より全体に幾分小さくなる。Ｒ径を大きくするためには形成する酸化膜３の膜厚を厚くする必要があるので、その熱酸化処理に時間がかかるばかりか、シリコン部材の寸法の減少も大きくなる。
そのため、この方法でシリコン製機械部品の角部にＲ付けすると、その寸法が変化してしまい、高い寸法精度が要求される部品を製造することはできない。また、酸化膜の形成に長時間を要するため、製造効率が悪くなる。

寸法精度に関しては、例えば前述したひげぜんまいの場合に特に高い寸法精度が要求される。
図８はひげぜんまいを構成するぜんまい部１１の一部を示し、図１及び図２に示したひげぜんまい１０と対応する部分には同一の符号を付している。
ひげぜんまいのサイズと時計の振動数ｆの関係は、ひげぜんまいのバネ定数Ｋとテンワの慣性モーメントＩとのバランスで決まり、振動数ｆは次の数１によって求めれられる。

Ｋ＝Ｅｂｔ^３／１２Ｌ であり、ひげぜんまいのサイズで決まる。（Ｅ：ひげぜんまいの材料のヤング率、Ｌ：ぜんまい部１１の全長、ｂ：図８に示す幅、ｔ：図８に示す厚み）

例えば、振動数ｆが０．０５％ずれると、１日は８６４００秒なので、
０．０５％×８６４００秒＝４３秒
であり、１日に４０秒以上も狂うことが概算できる。
ぜんまい部１１の厚みｔ=５０μｍのとき、その厚みｔが０．５μｍ変化すると１％の変化であり、ｔとｆのディメンションを考慮して同様に計算すると、
１％×（２／３）×８６４００秒＝１２９６秒
であり、１日に約１３００秒（＝１時間に５４秒）ずれると見積もられる。
したがって、ひげぜんまいの寸法精度は非常にシビアであることが分かる。

〔水素アニール処理によるＲ付けとその効果〕
そこで、この発明によるシリコン製機械部品の製造方法では、シリコン基板をエッチング加工して形成した機械部品に、水素アニール処理を施して角部にＲを付ける。
その基礎となる２つの実験結果について説明する。
図９に示す角部１ａを有する断面が方形のシリコン部材１の試料に対して、水素アニール処理を施した。

第１の実験条件
・水素（Ｈ_２）ガス流量 ０．５ｓｌｍ
・温度と時間 ８００℃で５分→１１００℃で９０分→８００℃で５分→室温
・圧力 １０ｋＰａ
この条件で水素アニール処理を行った結果、図１０に示すように、シリコン部材１の角部にＲ径がＲ１＝１μｍのＲが付いた。処理時間は１００分である。

第２の実験条件
・水素（Ｈ_２）ガス流量 ０．５ｓｌｍ
・温度と時間 ８００℃で５分→１１００℃で９０分→８００℃で５分→室温
・圧力 ５０ｋＰａ
この第２の実験条件は、第１の実験条件より圧力を５倍に高めただけである。この条件で水素アニール処理を行った結果、図１１に示すように、シリコン部材１の角部にＲ径がＲ２＝０．５μｍのＲが付いた。処理時間は同じく１００分である。

したがって、圧力が低い方がＲ径が大きくなる傾向がある。また、当然ながら処理時間が長い方がＲ径が大きくなる。しかし、同じＲ径であれば、前述した酸化膜除去によってＲを付けるよりも遥かに短い処理時間ですむ。
しかも、表面が平滑になるが、角部以外の外形寸法は殆ど変化しないので、寸法精度が高い部品を製造することができる。

〔ひげぜんまいの製造方法の実施形態〕
そこで、この発明の一実施形態として、シリコン製機械部品であるひげぜんまいの製造方法を図１２によって説明する。図１２は、そのひげぜんまいの製造方法を説明するための工程図である。
この図１２におけるひげぜんまい１０は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面の図２に示した端面に相当するが、図示の便宜上大幅に簡略化して示している。
この実施形態のひげぜんまいの製造方法では、図１２に示す（ａ）〜（ｌ）の工程を順に実行する。

（ａ）の工程では、シリコン基板２０としてＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板（「ＳＯＩウエハ」ともいう）を準備する。ＳＯＩ基板は、シリコンウエハによる支持層２１の上面に二酸化珪素（ＳｉＯ_２）によるエッチングストップ層であるボックス層２２が、さらにそのボックス層２２の上面にシリコン（Ｓｉ）による活性層２３が、順に積層された構造になっている。活性層２３がひげぜんまいを形成するシリコン層である。
シリコン基板２０として、ＳＯＩ基板を使用せずに、単結晶シリコン基板の内部に、ＳｉＯ_２の層（ボックス層に相当）を形成し、単結晶シリコンの層でこのＳｉＯ_２の層を上下（上が活性層、下が支持層に相当）から挟んだような基板を使用してもよい。

（ｂ）の工程では、シリコン基板２０の活性層２３上にさらに、エッチングマスクを形成するための二酸化珪素（ＳｉＯ_２）膜３１を成膜する。
そして、（ｃ）の工程で、その二酸化珪素膜３１上の全面にフォトレジスト３２を塗布し、それをフォトリソグラフィ技術によって、製造するひげぜんまいの平面形状にパターニングする。

（ｄ）の工程では、そのひげぜんまいの形状にパターニングされたフォトレジスト３２をマスクとして二酸化珪素膜３１をＲＩＥ技術によってエッチングし、製造するひげぜんまいの平面形状にパターニングする。
（ｅ）の工程ではさらに、そのパターニングされた二酸化珪素膜３１をエッチングマスクとして、深掘りＲＩＥ（Deep-RIE）技術によって、活性層２３をひげぜんまい１０の平面形状に、ボックス層２２に達するまでエッチングする。

その深掘りＲＩＥ技術は、エッチングガスとして六フッ化硫黄（ＳＦ_６）や、それと八フッ化シクロブタン（Ｃ_４Ｆ_８）との混合ガスなどを使用する、アスペクト比が高いエッチングが可能なドライエッチングであるが、これは公知の技術である。
このとき、ひげぜんまい１０は、その一部分が図１に示した接続部１４によって、活性
層２３のエッチングされなかった部分に接続した状態で支持されている。シリコン基板２０をこのように加工した状態を加工基板２０Ａとする。

その後、（ｆ）の工程で二酸化珪素膜３１上のフォトレジスト３２を除去する。ここまでの工程が、シリコン基板２０をエッチング加工して、機械部品であるひげぜんまい１０を形成する部品形成工程である。なお、ひげぜんまい１０は、その一部分だけがシリコン基板２０のエッチングされなかった部分に接続した状態で支持されるように、加工基板２０Ａを形成する。
ここまでは、シリコン基板をエッチング加工してひげぜんまいのような機械部品を製造する際の従来の工程と同様である。

次の（ｇ）の工程からがこの実施形態に特有の工程である。
（ｇ）の工程では、加工基板２０Ａの支持層２１の下面の全面にフォトレジスト３３を塗布し、それをフォトリソグラフィ技術によって、少なくともひげぜんまい１０に対応する全領域を含む大きさの開口３３ａを形成するようにパターニングする。
そして、（ｈ）の工程で、開口３３ａを形成したフォトレジスト３３をマスクとして、加工基板２０Ａの支持層２１を、ＲＩＥ技術又は深掘りＲＩＥ技術によってボックス層２２に達するまでエッチングする。それによって、フォトレジスト３３の開口３３ａと同じ大きさの開口２１ａを支持層２１に形成する。この状態のシリコン基板を加工基板２０Ｂとする。

その後、（ｉ）の工程でフォトレジスト３３を剥離し、（ｊ）の工程で、フッ酸によって加工基板２０Ｂのボックス層２２とマスクに使用した二酸化珪素膜３１を除去する。ボックス層２２は、支持層２１と活性層２３に挟まれた部分が、エッチングされずに僅かに残る。この状態のシリコン基板を加工基板２０Ｃとする。

この加工基板２０Ｃでは、ひげぜんまい１０が図１に示した接続部１４のみによって活性層２３と接続された片持ち状態で、支持層２１の開口２１ａ内にすべて露出する。そのため、ひげぜんまい１０は自重と弾性によって、ひげ玉１２を設けた中央部が最も低くなるように下がって若干傾斜するが、支持層２１の開口２１ａ内で下がるため、支持層２１に接触することはない。
上記（ｇ）〜（ｊ）の工程が、機械部品であるひげぜんまい１０が加工基板２０Ｃのひげぜんまい１０以外の部分と接触しないように加工基板２０Ａを加工する工程である。

この状態で、次の（ｋ）の工程で、ひげぜんまい１０を保持する加工基板２０Ｃ全体を水素アニール処理用のチャンバー内に配置し、そのチャンバー内全体を高温の水素雰囲気にして水素アニール処理を行う。その処理条件として、例えば、水素（Ｈ_２）ガスの流量を０．５ｓｌｍ、圧力を５０ｋＰａで、温度を８００℃で５分→１１００℃で１５分→８００℃で５分の処理を順次実施するとよい。
水素アニールの処理条件はこれに限るものではなく、求められる性能により８００℃から１２００℃程度の高温水素雰囲気中で、予め設定したガス流量、圧力、時間、例えばガス流量０．５〜２ｓｌｍ、圧力５〜１００ｋＰａで、１５分〜９時間ほどアニール処理を行うとよい。

この水素アニール処理によって、ひげぜんまい１０の表面のスキャロップ等の加工荒れが除去されて表面が平滑化し、角部に丸み（Ｒ）が付く。それによって、シリコンで形成されたひげぜんまい１０の品質が向上し、耐衝撃性及び耐久性が高まる。
そして、ひげぜんまい１０は水素アニール処理中、図１に示した接続部１４以外は加工基板２０Ｃのどこにも接触していないので、その全表面に均一に水素アニール処理を施すことができる。しかも、張り付きが発生することはない。

そのため、（ｌ）の工程で、図１に示した接続部１４を切断すれば、加工基板２０Ｃから、ひげ玉１２を設けたひげぜんまい１０を、損傷することなく分離して容易に取り出すことができる。
この工程が、機械部品であるひげぜんまい１０を、活性層２３と接続した部分（接続部１４）を切断して加工基板２０Ｃから分離する工程である。
このようにして、水素アニール処理によって角部にＲを付けて強度を高めたシリコン製のひげぜんまいを、容易且つ確実に製造することができる。

なお、このひげぜんまい１０は、半導体部品を製造する場合と同様に、１枚のシリコン基板２０から同時に複数個あるいは多数個製造することができる。その場合、加工基板２０Ｂの支持層２１の開口２１ａを、各ひげぜんまい１０に対応する領域に個別に形成してもよいが、活性層２３によって複数個あるいは全てのひげぜんまいを保持できる場合は、複数個のひげぜんまい１０を含む領域に対して１個、若しくは全てのひげぜんまい１０を含む領域に対して１個形成してもよい。
このようにすれば、水素アニール処理したシリコン製のひげぜんまいを効率よく製造することができる。

ところで、シリコン基板２０の活性層２３をエッチング加工してひげぜんまい１０を形成した図１２の（ｆ）に示した状態で、加工基板２０Ａの二酸化珪素膜３１とボックス層２２を除去すると、ひげぜんまい１０のひげ玉１２を有する中央部が自重によって下がって支持層２１の上面に接触してしまう。その状態で水素アニール処理を行うと、水素アニール処理中にその接触した部分のシリコン分子同士が反応して張り付きを起こし、水素アニール処理後ひげぜんまい１０の回収が不能になる。
ひげぜんまい１０を加工基板から取り出し、別のシリコン基板に支持させて水素アニール処理を行っても、ひげぜんまい１０の下面がその別のシリコン基板の上面に接触するため張り付きを起こし、やはりひげぜんまい１０の回収が不能になる。

そこで、シリコン以外の張り付きが発生しない支持部材を使用する方法も考えられるが、そうすると水素アニール処理中にその材料も水素と反応し、その分子によってシリコン部分が破壊されてしまうことがあるため好ましくない。
この実施形態によるひげぜんまいの製造方法は、上述したような問題を解消することができる。すなわち、シリコン基板をエッチング加工して形成したひげぜんまいを、その製造工程中に表面全体に水素アニール処理を施して、全ての角部にＲを付けてその強度を高めることができる。しかも張り付きが生じないので、そのひげぜんまいを容易に回収することができる。

〔ガンギ車及びアンクルの製造方法の実施形態〕
この発明は、ひげぜんまいに限らず各種のシリコン製機械部品の製造に適用できる。その一例として機械式時計の脱進機構に使用するガンギ車及びアンクルの製造方法の実施形態について、図１３と図１４によって説明する。
図１３は、ガンギ車の製造方法の実施形態を説明するための図であり、図１２における（ｊ）の工程に相当する工程を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＤ−Ｄ線に沿う断面の端面図である。なお、便宜上、シリコン基板２０を加工した加工基板２０Ｃと、それを構成する支持層２１、ボックス層２２及び活性層２３は、図１２に示した加工基板２０Ｃと同じ符号を使用する。

図１２における（ａ）〜（ｆ）の工程と同様の工程によって、図１３に示すように、シリコン基板の活性層２３をエッチング加工してガンギ車５０を形成する。このガンギ車５０は、外周に一定間隔で多数の爪状の歯部５１を設けたリング部５２と、それを支持する
ハブ部５３及び４本の支持アーム５４からなる。ハブ部５３の中心には軸孔５３ａが形成されている。

このガンギ車５０は、図１３の（ａ）に示すように、活性層２３の開口２３ａ内に残された先細り形状の接続部２３ｂの先端部のみによって活性層２３と接続されて、シリコン基板に保持されている。
そして、図１３の（ｂ）に示すように、シリコン基板の支持層２１の少なくともガンギ車５０に対応する領域に開口２１ａを形成し、ガンギ車５０を下から支持していたボックス層２２をエッチングによって除去する。この状態が加工基板２０Ｃである。

それによって、ガンギ車５０は自重と弾性によって、接続部２３ｂと反対側（図１３で左側）の端部が最も低くなるように若干下がって傾斜する。しかし、支持層２１の少なくともガンギ車５０と対応する領域には開口２１ａが形成されているため、ガンギ車５０が支持層２１に接触することはない。
この状態で、図１２における（ｋ）の工程と同様に、ガンギ車５０を保持する加工基板２０Ｃ全体を水素アニール処理用のチャンバー内に配置し、そのチャンバー内全体を高温の水素雰囲気にして水素アニール処理を行う。それによって、シリコンで形成されたガンギ車５０の表面を平滑化し、全ての角部に丸み（Ｒ）を付けて強度を高めることができる。

そして、このガンギ車５０は水素アニール処理中、接続部２３ｂの先端部以外に加工基板２０Ｃのどこにも接触していないので、ガンギ車５０の全表面に均一に水素アニール処理を施すことができ、張り付きが発生することもない。
そのため、水素アニール処理後に、接続部２３ｂを切断すれば、加工基板２０Ｃから、ガンギ車５０を損傷することなく容易に取り出すことができる。
このようにして、水素アニール処理によって全ての角部にＲを付けて強度を高めたシリコン製のガンギ車を、容易且つ確実に製造することができる。

図１４は、アンクルの製造方法の実施形態を説明するための図であり、図１２における（ｊ）の工程に相当する工程を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＥ−Ｅ線に沿う断面の端面図である。なお、この図１４においても、便宜上、加工基板２０Ｃとその各層には、図１２に示した加工基板２０Ｃと同じ符号を使用する。

図１２における（ａ）〜（ｆ）の工程と同様の工程によって、図１４に示すように、シリコン基板の活性層２３をエッチング加工してアンクル６０を形成する。このアンクル６０は、サオ６１と腕６２とがＴ字状に形成され、腕６２の両端部にサオ６１と反対方向に突出する爪部６３を有し、腕６２の中央部に軸孔６４が設けられている。

このアンクル６０は、図１４の（ａ）に示すように、活性層２３の開口２３ｃ内に延びる先細り形状の接続部２３ｄの先端部のみによって活性層２３と接続されて、シリコン基板２０に保持されている。
そして、図１４の（ｂ）に示すように、シリコン基板の支持層２１の少なくともアンクル６０に対応する領域に開口２１ａを形成し、アンクル６０を下から支持していたボックス層２２をエッチングによって除去する。この状態が加工基板２０Ｃである。

それによって、アンクル６０は自重と弾性によって、接続部２３ｄと反対側（図１４で左側）の端部が最も低くなるように若干下がって傾斜するが、支持層２１に開口２１ａが形成されているため、支持層２１に接触することはない。
この状態で、図１２における（ｋ）の工程と同様に、アンクル６０を保持する加工基板２０Ｃ全体を水素アニール処理用のチャンバー内に配置し、そのチャンバー内全体を高温の水素雰囲気にして水素アニール処理を行う。それによって、シリコンで形成されたアンクル６０の表面を平滑化し、全ての角部に丸みを付けて強度を高めることができる。

そして、このアンクル６０は水素アニール処理中、接続部２３ｂの先端部以外に加工基板２０Ｃのどこにも接触していないので、アンクル６０の全表面に均一に水素アニール処理を施すことができ、張り付きが発生することもない。
そのため、水素アニール処理後に、接続部２３ｄを切断すれば、加工基板２０Ｃから、アンクル６０を損傷することなく容易に取り出すことができる。
このようにして、水素アニール処理によって全ての角部にＲを付けて強度を高めたシリコン製のアンクル６０を、容易且つ確実に製造することができる。

このようにガンギ車５０あるいはアンクル６０を製造する場合も、前述したひげぜんまいを製造する場合と同様に、１枚のシリコン基板から同時に複数個あるいは多数個製造することができる。その場合、加工基板２０Ｃの支持層２１の開口２１ａは、各ガンギ車５０あるいはアンクル６０に対応する領域に個別に形成することになる。しかし、活性層２３によって複数個若しくは全てのガンギ車５０又はアンクル６０を保持できる場合は、支持層２１の開口２１ａを、複数個のガンギ車５０又はアンクル６０を含む領域に対して１個、若しくは全てのガンギ車５０又はアンクル６０を含む領域に対して１個形成すればよい。
そのようにすれば、水素アニール処理したシリコン製のガンギ車又はアンクルを一層効率よく製造することができる。

〔アンクルの製造方法の他の実施形態〕
次に、この発明によるアンクルの製造方法の他の実施形態を図１５によって説明する。図１５は、そのアンクル製造方法の各工程を示す図１２と同様な工程図であり、図１２と対応する図分には同一の符号を付している。
この実施形態のアンクル製造方法では、図１５に示す（ａ）〜（ｌ）の工程を順に実行する。

（ａ）の工程では、シリコン基板２５としてＳＯＩ基板ではなく、単結晶シリコン基板（「シリコンウエハ」ともいう）を準備する。
そして、（ｂ）の工程では、そのシリコン基板２５の上面に、エッチングマスクを形成するための二酸化珪素（ＳｉＯ_２）膜３１を成膜する。
（ｃ）の工程で、その二酸化珪素膜３１上の全面にフォトレジスト３２を塗布し、それをフォトリソグラフィ技術によって、図１４の（ａ）に示したような製造するアンクルの平面形状にパターニングする。

（ｄ）の工程では、そのアンクルの形状にパターニングされたフォトレジスト３２をマスクとして二酸化珪素膜３１をＲＩＥ技術によってエッチングし、製造するアンクルの平面形状にパターニングする。
（ｅ）の工程ではさらに、そのパターニングされた二酸化珪素膜３１をエッチングマスクとして、前述した深掘りＲＩＥ（Deep-RIE）技術によって、シリコン基版２５をアンクルの平面形状に、その厚さに達するまでエッチングする。

それによって、シリコン基板２５の上半部にアンクル６０となる部分と図１４に示した接続部２３ｄに相当する接続部２５ｄとを残して開口２５ｃが形成され、アンクル６０となる部分の外周側面は、エッチングされなかった接続部２５ｄのみでシリコン基板２５の内周面に接続した状態になる。シリコン基板２５をこのように加工した状態を加工基板２５Ａとする。

その後、（ｆ）の工程で二酸化珪素膜３１上のフォトレジスト３２を除去する。ここまでの工程が、シリコン基板２５をエッチング加工して、機械部品であるアンクル６０を形成すると共に、その一部分だけがシリコン基板２５のエッチングされなかった部分に接続した状態で支持されるように加工基板２５Ａを形成する工程である。
（ｇ）の工程では、加工基板２５Ａの下面の全面にフォトレジスト３３を塗布し、それをフォトリソグラフィ技術によって、少なくともアンクル６０に対応する全領域を含む大きさの開口３３ａを形成するようにパターニングする。

そして、（ｈ）の工程で、開口３３ａを形成したフォトレジスト３３をマスクとして、加工基板２０Ａを、ＲＩＥ技術又は深掘りＲＩＥ技術によってアンクル６０となる部分に達するまでエッチングする。それによって、フォトレジスト３３の開口３３ａと同じ大きさの開口２５ａを加工基板２５Ａに形成する。この状態のシリコン基板を加工基板２５Ｂとする。
その後、（ｉ）の工程でフォトレジスト３３を剥離し、（ｊ）の工程で、フッ酸によって加工基板２５Ｂのマスクに使用した二酸化珪素膜３１を除去する。この状態のシリコン基板を加工基板２５Ｃとする。

この加工基板２５Ｃでは、アンクル６０が図１４に示した接続部２３ｄに相当する接続部２５ｄのみによって、シリコン基板２５のエッチングされなかった部分に接続した状態で片持ち状態で支持され、開口２５ａ内にすべて露出する。そのため、アンクル６０は自重と弾性によって、接続部２５ｄと反対側（図１５で左側）の端部が最も低くなるように若干下がって傾斜するが、加工基板２５Ｃの開口２５ａ内で傾斜するため、加工基板２５Ｃのアンクル６０以外の部分と接触することはない。
上記（ｇ）〜（ｊ）の工程が、機械部品であるアンクル６０が加工基板２５Ｃのアンクル６０以外の部分と接触しないように加工基板２５Ａを加工する工程である。

この状態で、次の（ｋ）の工程で、アンクル６０を保持する加工基板２５Ｃ全体を水素アニール処理用のチャンバー内に配置し、そのチャンバー内全体を高温の水素雰囲気にして水素アニール処理を行う。
水素アニールの処理条件は、求められる性能により８００℃から１２００℃程度の高温水素雰囲気中で、予め設定したガス流量、圧力、時間、例えばガス流量０．５〜２ｓｌｍ、圧力５〜１００ｋＰａで、１５分〜６時間ほどアニール処理を行うとよい。

この水素アニール処理によって、アンクル６０の表面のスキャロップ等の加工荒れが除去されて表面が平滑化し、全ての角部に丸み（Ｒ）が付く。それによって、シリコンで形成されたアンクル６０の強度を高めることができ、耐衝撃性及び耐久性が高まる。
そして、アンクル６０は水素アニール処理中、接続部２５ｄの先端部以外に加工基板２５Ｃのどこにも接触していないので、その全表面に均一に水素アニール処理を施すことができ、張り付きが発生することもない。

そのため、（ｌ）の工程で、接続部２５ｄを切断すれば、加工基板２５Ｃから、アンクル６０を損傷することなく分離して容易に取り出すことができる。
この工程が、機械部品であるアンクル６０を、加工基板２５Ｃと接続した部分（接続部２５ｄ）を切断して加工基板２５Ｃから分離する工程である。
このようにして、水素アニール処理によって全ての角部にＲを付けて強度を高めたシリコン製のアンクルを、容易且つ確実に製造することができる。

なお、この場合も１枚のシリコン基板２５から同時に複数個あるいは多数個のアンクル６０を製造することができる。その場合、加工基板２５Ｂの開口２５ａを、複数個あるいはすべてのアンクル６０を含む領域に対して１個形成すればよい。
この実施形態と同様に、単結晶のシリコン基板（シリコンウエハ）をエッチング加工して、ガンギ車やその他のシリコン製機械部品も製造することができる。

この製造方法では、前述したＳＯＩ基板を使用する製造方法と比較すると、深掘りＲＩＥ技術によって機械部品の厚さ方向のエッチングを行う際のエッチングストップ層となるボックス層がないため、機械部品の厚さ精度を出しにくい。しかし、アンクルやガンギ車のように比較的厚さ寸法が大きく、その精度も特に厳しくはない機械部品を製造する場合にはあまり問題にならない。むしろ、安価に効率よく各種の機械部品を製造できる。

この発明は、機械式時計に使用する他の機械部品、例えばテン輪や各種の歯車、指針などの製造にも同様に適用できる。さらに、時計以外のカメラや計測器、その他各種精密機械の部品の製造にも適用することができる。

以上、この発明の実施形態について説明してきたが、その実施形態の各部の具体的な構成や処理の内容等は、そこに記載したものに限るものではない。
また、この発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に記載された技術的特徴を有する以外は、何ら限定されるものではないことは言うまでもない。
さらに、以上説明してきた各実施形態の構成例、動作例及び変形例等は、適宜変更又は追加したり、一部を削除してもよく、相互に矛盾しない限り任意に組み合わせて実施することも可能であることは勿論である。

この発明によるシリコン製機械部品の製造方法は、機械式時計をはじめ種々の精密機器に使用する部品の製造に適用することができる。

１：シリコン部材（試料） １′：酸化処理後のシリコン部材
２：支持体 ３：酸化膜（ＳｉＯ_２膜）
１０：ひげぜんまい １１：ぜんまい部 １２：ひげ玉 １２ａ：貫通孔
１３：ひげ持ち １４，１５：接続部
２０：シリコン基板（ＳＯＩ基板） ２０ａ：隙間（空間）
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ：シリコン基板２０の加工基板 ２１：支持層
２１ａ：支持層の開口 ２２：ボックス層 ２３：活性層
２３ａ，２３ｃ：活性層の開口 ２３ｂ，２３ｄ，２５ｄ：接続部
２５：シリコン基板（単結晶シリコン基板）
２５ａ，２５ｃ：シリコン基板２５の開口
２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ：シリコン基板２５の加工基板
３１：二酸化珪素膜 ３２，３３：フォトレジスト ３３ａ：フォトレジストの開口 ４０：別のシリコン基板 ５０：ガンギ車 ５１：歯部 ５２：リング部
５３：ハブ部 ５３ａ：軸孔 ５４：支持アーム ６０：アンクル
６１：サオ ６２：腕 ６３：爪部 ６４：軸孔

Claims (5)

1. シリコン基板をエッチング加工して機械部品を形成する部品形成工程と、
   該部品形成工程で形成された前記機械部品に水素アニール処理を施して前記機械部品の角部を丸くする水素アニール処理工程と、
   を有することを特徴とするシリコン製機械部品の製造方法。
   
2. 前記部品形成工程では、前記機械部品が前記シリコン基板のエッチングされなかった部分に一部分だけで接続した状態で、該エッチングされなかった部分に支持されるようにエッチング加工することを特徴とする請求項１に記載のシリコン製機械部品の製造方法。
   
3. 前記水素アニール処理を、８００℃から１２００℃の高温水素雰囲気中で予め設定した時間だけ行うことを特徴とする請求項１に記載のシリコン製機械部品の製造方法。
   
4. 前記機械部品が、機械式時計の調速機構又は脱進機構を構成する部品であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のシリコン製機械部品の製造方法。
   
5. 前記機械部品が、機械式時計のひげぜんまいであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のシリコン製機械部品の製造方法。
   
   

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