KR20220149616A - 실리콘으로 만들어진 시계부품의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따라서 제공되는 시계부품(1) 제조방법은: a) 제1 실리콘 층(7), 제2 실리콘 층(8), 및 상측 실리콘 층(7)과 하측 실리콘 층(8) 사이의 중간 실리콘 산화물 층(9)을 포함하는 웨이퍼(wafer)(6)를 제공하는 단계; b) 시계부품(1)의 제1 부분(1a)을 형성하기 위하여 상측 실리콘 층(7)을, 그리고 시계부품(1)의 제2 부분(1b)을 형성하기 위하여 하측 실리콘 층(8)을 에칭하는 단계; c) 제1 부분(1a)의 구성요소(4) 및 제2 부분(1b)의 구성요소(5) 사이의 중간 실리콘 산화물 층(9)을 제거하는 단계; d) 상기 구성요소들(4, 5)이 서로 접촉하지 않도록 상기 구성요소들(4, 5)을 열 산화(thermally oxidize)시킨 후, 상기 구성요소들(4, 5)을 탈산화(deoxidize)시키는 단계; 및 e) 상기 구성요소들(4, 5) 사이의 미리 정해진 거리(d2)가 얻어질 때까지 상기 d) 단계를 적어도 1회 반복하는 단계;를 포함한다.

Description

실리콘으로 만들어진 시계부품의 제조방법
본 발명은 실리콘 시계부품의 제조방법에 관한 것이다.
제조될 실리콘 시계부품은 두 개의 요소, 예를 들어 유연성 안내 부재의 두 개의 교차된 탄성 블레이드, 또는 빈 공간에 의하여 부품의 높이 방향으로 분리된 두 개의 중첩된 톱니부재(toothing)를 포함한다.
문헌 EP 2911012 에는 이와 같은 부품이 개시되어 있는바, 구체적으로는 딥 에칭(deep etching)에 의하여 일체로 제작된 시계 오실레이터가 개시되어 있으며, 여기에서는 오실레이터의 균형부의 회전을 안내하는 두 개의 교차된 탄성 블레이드가 단지 수 미크론(micron)으로 분리되어 있다. 상기 특허 문헌에서 제안되는 바와 같이, 오실레이터가 실리콘 산화물의 열 보상 층(thermal compensation layer)으로 코팅된다면 두 개의 구성요소가 분리된 거리는 더 감소된다.
두 개의 구성요소 간의 간격이 위와 같이 작은 경우, 두 개의 구성요소는 부품의 작동 동안에, 특히 마모된 후의 움직임 동안에 서로 접촉할 수 있으며, 이는 시계의 정밀도를 저하시킨다. 또한 상기 두 개의 구성요소는 충돌할 수 있고, 시계가 충격을 받는 때에 손상될 수 있다.
특허 문헌 WO 2015/033238 에 개시된 백래쉬 보상(backlash compensation)을 구비한 시계 휠 조립체는 허브에 견고하게 연결된 제1 톱니 림(first toothed rim) 및 탄성 아암에 의하여 허브에 연결된 제2 톱니 림을 포함한다. 이 부품은 실리콘 -온-인슐레이터(silicon-on-insulator: SOI) 유형의 웨이퍼의 두 개의 면을 에칭하고 허브를 제외하고는 중간 실리콘 산화물 층을 제거하여 제1 톱니 림으로부터 탄성 아암들 및 제2 톱니 림을 분리함으로써 제작된다. 이 부품에서, 톱니 림들에 의하여 이루어지는 두 개의 구성요소는 상기 중간 실리콘 산화물 층의 높이, 즉 최대 3 ㎛ 의 높이에 대응되는 거리만큼 분리된다. 따라서 이들은 시계가 충격을 받는 경우에 충돌하여 손상될 수 있다.
전체적으로 강성을 갖는 실리콘 시계부품의 경우, 예를 들어 톱니부재 유형의 두 개의 구성요소 또는 높이 방향으로 분리된 다른 두 개의 상호작용하는 구성요소의 경우, 두 개의 구성요소의 매우 근접한 위치로 인하여 협동하여 작동하는 개별의 부재들을 서로 매우 가까운 위치에 배치함을 필요로 하며, 이것은 조립을 복잡하게 만든다.
전술된 문제를 해결하기 위하여 두 개의 구성요소들의 간격이 언더-에칭(under-etching) 기술에 의하여 증가될 수 있지만, 이 경우에는 상기 구성요소들의 기하형태 및 치수 품질이 보장되지 않는다. 또한 두 개의 구성요소들 사이에 충분한 거리를 유지시키는 스페이서에 의해 분리된 두 개의 접착 또는 용착된 부재를 포함하는 부품을 제작하는 것도 가능하다. 그러나 이 경우에는 일체 제작(monolithic manufacturing)의 장점이 손실되며, 접착 또는 용착된 부재들의 완벽한 정렬은 쉽게 얻어지지 않는다.
따라서, 제조 정밀도를 훼손시키지 않고서 두 개의 구성요소들의 높이 간격을 요망되는 바에 따라 증가시킴을 가능하게 하는 실리콘 시계부품의 제조방법이 필요하다.
상기 과제는 본 발명에 따른 시계부품(horological component)(1) 제조방법에 의하여 달성되는바, 이 제조방법은:
a) 제1 실리콘 층, 제2 실리콘 층, 및 상측 실리콘 층과 하측 실리콘 층 사이의 중간 실리콘 산화물 층을 포함하는 웨이퍼(wafer)를 제공하는 단계;
b) 시계부품의 제1 부분을 형성하기 위하여 상측 실리콘 층을, 그리고 시계부품의 제2 부분을 형성하기 위하여 하측 실리콘 층을 에칭하는 단계;
c) 제1 부분의 구성요소 및 제2 부분의 구성요소 사이의 중간 실리콘 산화물 층을 제거하는 단계;
d) 상기 구성요소들이 서로 접촉하지 않도록 상기 구성요소들을 열 산화(thermally oxidize)시킨 후, 상기 구성요소들을 탈산화(deoxidize)시키는 단계; 및
e) 상기 구성요소들 사이의 미리 정해진 거리가 얻어질 때까지 상기 d) 단계를 적어도 1회 반복하는 단계;를 포함한다.
실리콘 부재 또는 부분이 열 산화되는 때에, 그 표면에 나타나는 실리콘 산화물 층은 그 두께의 44% 에 대응되는 깊이만큼 실리콘을 소비함으로써 형성된다. 따라서, 실리콘 산화물 층을 제거한 후에는 감소된 크기의 실리콘 부재 또는 부분이 남게 된다. 본 발명에서는, 시계부품의 두 개의 구성요소들의 크기를 감소시킴으로써 그들 사이의 간격이 증가된다. 또한, 산화 동안에 상기 두 개의 구성요소들이 서로 접촉하지 않도록, 즉 제1 구성요소 주위의 산화물 층과 제2 구성요소 주위의 산화물 층이 성장 동안에 서로 접합되지 않게 산화-탈산화 작업을 수행함으로써, 산화 동안에 두 개의 구성요소들이 합쳐져서 시계부품이 작동불능으로 됨이 방지된다.
다수의 산화-탈산화 과정을 구현하는 방법은 종래 기술(EP 3181938, WO 2019/166922, WO 2019/180596, EP 3416001)로 알려져 있으나, 이들은 오실레이터의 주파수 또는 헤어스프링(hairspring)의 강직도(stiffness)를 조정하기 위하여 의도된 방법들 뿐이며, 산화-탈산화 과정이 시계부품의 두 개의 구성요소들 사이의 간격을 증가시키기 위하여 이용된 경우는 없다.
본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 하기 첨부 도면들을 참조로 하는 아래 상세한 설명으로부터 명확히 이해될 것이다.
도 1 에는 본 발명에 따른 방법에 의하여 제조된 유연성 안내부를 구비한 시계 오실레이터의 사시도가 도시되어 있다.
도 2 내지 도 7 에는 본 발명에 따른 제조방법의 순차적인 단계들이 개략적으로 도시되어 있다.
도 1 에는 유연성 안내부(flexible guidance)(1)를 구비한 시계 오실레이터가 도시되어 있는바, 상기 유연성 안내부는 두 개의 교차된 탄성 블레이드(4, 5)에 의하여 지지부(3)로부터 매달려 있는 균형부(balance)(2)를 포함한다. 상기 블레이드(4, 5)는 균형부(2)의 평면에 대해 평행한 두 개의 상이한 평면들(P1, P2)에서 연장되고, 따라서 소정 거리의 위치에서 서로 교차한다. 블레이드(4, 5)의 교차점은 지지부(3)에 대한 균형부(2)의 가상 회전축(virtual axis of rotation)을 정의한다.
블레이드(4, 5) 사이에 충분한 거리가 있으면서도 높은 제조 정밀도를 가진 시계 오실레이터를 제작함을 가능하게 하는 본 발명에 따른 방법은 도 2 내지 도 7 에 도시되어 있다.
먼저, 절연체-상-기판(substrate-on-insulator) 유형의 웨이퍼(6)가 제공되며, 이것은 중간 실리콘 산화물(SiO2) 층(9)에 의하여 분리된 상측 실리콘 층(7) 및 하측 실리콘 층(8)을 포함한다 (도 2). 상기 실리콘은 단결정질(monocrystalline)일 수 있으며, 그 결정 배향(crystalline orientation)은 다결정질(polycrystalline) 또는 비정질(amorphous) 일 수 있다. 실리콘은 도핑된 것이거나 그렇지 않은 것일 수 있다. 상기 중간 실리콘 산화물 층(9)의 두께는 전형적으로는 3 ㎛ 이다.
그 다음 웨이퍼(6)가 양측면에서 연속적으로 또는 동시에 에칭되어서(도 3), 상측 실리콘 층(7)에 오실레이터(1)의 제1 부분(1a)과 하측 실리콘 층(8)에 오실레이터(1)의 제2 부분(1b)이 형성된다. 제1 부분(1a) 및 제2 부분(1b) 각각은 도면에 도시된 바와 같이 단일 레벨로 구성되거나 다수 레벨로 구성될 수 있다.
오실레이터(1)의 제1 부분(1a)에는 두 개의 교차 탄성 블레이드들 중 하나(4)와 균형부(2) 및 지지부(3)의 상측 부분이 있다. 오실레이터(1)의 제2 부분(1b)에는 상기 두 개의 교차 탄성 블레이드들 중 다른 하나(5)와 균형부(2) 및 지지부(3)의 하측 부분이 있다.
이 단계에서, 오실레이터(1)의 상기 두 개의 부분들(1a, 1b)은 중간 실리콘 산화물 층(9)에 의하여 분리되며, 상기 중간 실리콘 산화물 층(9)은 에칭을 멈추는 역할을 한다. 에칭은 통상적으로 딥 리액티브 이온 에칭(deep reactive ion etching: DRIE)으로 수행된다.
그 다음, 예를 들어 소정 구역들, 특히 두 개의 블레이드들(4, 5) 사이의 구역에서 플루오르화 수소산(hydrofluoric acid)에 의한 화학 처리에 의하여 중간 실리콘 산화물 층(9)이 제거되고, 중간 실리콘 산화물 층(9)은 오실레이터(1)의 제1 부분(1a) 및 제2 부분(1b)이 함께 잔존해야 하는 구역, 즉 균형부(2) 및 지지부(3)의 구역에서만 남게 된다 (도 4). 이 단계는 블레이드들(4, 5)을 분리시킴으로써 이들이 서로에 대해 변형될 수 있게 된다.
그 다음 단계에서는(도 5), 오실레이터(1)가 열 산화됨으로써 실리콘 산화물 층(10)이 오실레이터(1) 둘레, 특히 블레이드들(4, 5) 둘레에 형성된다. 이 실리콘 산화물 층(10)은 실리콘의 표면이 후퇴(recede)하는 손상부에 형성된다. 통상적으로 산화는 수증기 또는 이산소(dioxygen) 가스를 사용하는 산화 분위기 내에서 800 내지 1200℃ 사이 온도에서 수행된다. 산화는 국부적으로 수행될 수도 있는바, 예를 들어 질소 마스크와 같은 마스크를 이용하여 블레이드들(4, 5)에만 수행될 수도 있다.
산화는 블레이드들(4, 5) 상의 실리콘 산화물 층(10)의 성장으로 인하여 블레이드들(4, 5)이 서로 접촉하게 되기 전에 정지된다. 따라서, 거리(d1)는 산화 후에도 여전히 블레이드들(4, 5)을 분리시킨다.
그 다음, 오실레이터는 예를 들어 플루오르화 수소산에 의한 화학 작용에 의하여 실리콘 산화물 층(10)을 제거함으로써 탈산화된다. 그 다음 블레이드들(4, 5)의 크기가 감소되며, 따라서 이들 간의 거리(d2)는 도 4 에 도시된 바와 같이 증가한다.
그 후, 블레이드들(4, 5) 사이의 미리 정해진 거리(d2)를 얻기 위하여 도 5 및 도 6 에 도시된 산화-탈산화 과정이 N회 반복된다. 숫자 N 은 통상적으로 적어도 2 이고, 바람직하게는 적어도 3, 바람직하게는 적어도 4, 바람직하게는 적어도 5, 바람직하게는 적어도 6, 바람직하게는 적어도 7 이다. 산화-탈산화 과정들 모두의 끝에서 미리 정해진 거리(d2)는 통상적으로 적어도 7 ㎛, 바람직하게는 적어도 9 ㎛, 바람직하게는 적어도 11 ㎛, 바람직하게는 적어도 13 ㎛, 바람직하게는 적어도 15 ㎛ 이다. 산화-탈산화 각각에 있어서, 미리 정해진 거리(d2)는 예를 들어 1 ㎛ 내지 3 ㎛ 사이의 값만큼 증가한다.
산화 파라미터들은 산화-탈산화 과정마다 상이할 수 있다. 예를 들어, 오실레이터(1)는 첫 번째 산화-탈산화 과정에서보다 마지막 산화-탈산화 과정에서 더 오랜 시간 동안 산화될 수 있는데, 이는 실리콘 산화물의 성장을 위하여 블레이드들(4, 5) 사이에 가용한 공간이 더 많기 때문이다.
각 산화 단계는 블레이드들(4, 5)이 서로 접촉하기 전에 중단된다 (도 5). 이로써, 블레이드들(4, 5)이 서로를 향하여 이끌려가서 실리콘 산화물 층(10)의 제거 동안에 합쳐질 위험이 억제된다.
모든 산화-탈산화 과정들 이후, 열 산화 또는 증착에 의하여 오실레이터(1) 전체 또는 적어도 블레이드들(4, 5) 상에 최종 실리콘 산화물 층(11)이 형성될 수 있는데(도 7), 이는 기계적 저항성을 증대시키고 진동수(frequency)를 열 변화에 덜 민감하게 되도록 하기 위한 것이다. 바람직하게는, 상기 최종 실리콘 산화물 층(11)의 형성 히우 블레이드들(4, 5) 사이의 거리(d3)가 적어도 5 ㎛, 바람직하게는 적어도 7 ㎛, 바람직하게는 적어도 9 ㎛, 바람직하게는 적어도 11 ㎛, 바람직하게는 적어도 13 ㎛ 이다.
바람직하게는, 에칭 동안에 남아 있는 실리콘 재료의 브리지(bridge)들에 의하여 오실레이터(1)가 아직 웨이퍼(6)에 부착되어 있는 때에 산화-탈산화 과정들 및 최종 실리콘 산화물 층(11)의 형성이 수행된다. 이 경우 본 방법의 마지막 단계에서는 상기 재료의 브리지를 파손 또는 제거함으로써 웨이퍼(6)로부터 오실레이터(1)를 분리함을 포함할 것이다. 상기 재료 브리지의 파손에 의하여 오실레이터(1)를 분리시킴은, 그에 앞서 수행되고 또한 에칭 플라즈마에 의하여 실리콘의 결정 격자 내에 형성되는 결함들의 대부분을 제거하는 산화-탈산화 과정들에 의해 용이하게 된다는 점이 이해될 것이다.
오실레이터(1)는 웨이퍼(6) 내에서 동시에 제조되는 동일한 오실레이터들의 배치(batch)의 일부분일 수 있다.
본 발명은 균형 오실레이터의 제조에만 국한되지 않는다. 본 발명은 레버, 로커, 앵커, 레이크, 핑거, 휠, 또는 모터 부재와 같은 다른 유형의 시계부품들에도 동일하게 적용될 수 있다. 오실레이터와 관련하여, 증가되어야 하는 간격이 있는 두 개의 구성요소들은 부품의 가동 부분을 안내하는 기능을 하는 교차 탄성 블레이드들일 수 있다. 또한 상기 두 개의 구성요소들은, 예를 들어 앵커의 다트(dart)와 포크(fork), 휠 또는 레이크의 두 개의 중첩된 톱니부재들, 핑거의 두 개의 중첩된 돌출부들과 같은 다른 부분들과의 상호작용을 위한 구성요소일 수도 있다. 본 발명은 특히 문헌 WO 2015/033238 에 개시된 백래쉬 보상 휠, 또는 WO 2018/146639 에 개시된 모터 부재에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시계부품이 만들어지는 웨이퍼는 인슐레이터 상의 다중 기판(multiple substrate on insulator), 즉 중간 실리콘 산화물층에 의하여 분리된 둘 이상의 실리콘 층들을 포함하는 것일 수 있다. 이 경우, 간격이 증가되어야 하는 구성요소들의 갯수는 2보다 클 수 있다.

Claims (8)

  1. 시계부품(horological component)(1) 제조방법으로서,
    a) 제1 실리콘 층(7), 제2 실리콘 층(8), 및 상측 실리콘 층(7)과 하측 실리콘 층(8) 사이의 중간 실리콘 산화물 층(9)을 포함하는 웨이퍼(wafer)(6)를 제공하는 단계;
    b) 시계부품(1)의 제1 부분(1a)을 형성하기 위하여 상측 실리콘 층(7)을, 그리고 시계부품(1)의 제2 부분(1b)을 형성하기 위하여 하측 실리콘 층(8)을 에칭하는 단계;
    c) 제1 부분(1a)의 구성요소(4) 및 제2 부분(1b)의 구성요소(5) 사이의 중간 실리콘 산화물 층(9)을 제거하는 단계;
    d) 상기 구성요소들(4, 5)이 서로 접촉하지 않도록 상기 구성요소들(4, 5)을 열 산화(thermally oxidize)시킨 후, 상기 구성요소들(4, 5)을 탈산화(deoxidize)시키는 단계; 및
    e) 상기 구성요소들(4, 5) 사이의 미리 정해진 거리(d2)가 얻어질 때까지 상기 d) 단계를 적어도 1회 반복하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 시계부품 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미리 정해진 거리(d2)는 적어도 7 ㎛, 바람직하게는 적어도 9 ㎛, 바람직하게는 적어도 11 ㎛, 바람직하게는 적어도 13 ㎛, 바람직하게는 적어도 15 ㎛인 것을 특징으로 하는, 시계부품 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    단계 e) 에서의 단계 d)의 반복은 적어도 2회, 바람직하게는 적어도 3회, 바람직하게는 적어도 4회, 바람직하게는 적어도 5회, 바람직하게는 적어도 6회, 바람직하게는 적어도 7회인 것을 특징으로 하는, 시계부품 제조방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 d) 에서는 시계부품(1) 전체를 열 산화시킨 후 탈산화시키는 것을 특징으로 하는, 시계부품 제조방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 e) 이후에,
    f) 상기 구성요소들(4, 5), 바람직하게는 시계부품(1) 전체 상에 실리콘 산화물 층(11)을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 시계부품 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    단계 f) 의 끝에서 상기 구성요소들(4, 5) 사이의 거리(d3)는 적어도 5 ㎛, 바람직하게는 적어도 7 ㎛, 바람직하게는 적어도 9 ㎛, 바람직하게는 적어도 11 ㎛, 바람직하게는 적어도 13 ㎛ 인 것을 특징으로 하는, 시계부품 제조방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구성요소들(4, 5)은 두 개의 교차된 탄성 블레이드들(crossed elastic blades)인 것을 특징으로 하는, 시계부품 제조방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시계부품은 오실레이터(oscillator)(1), 레버(lever), 로커(rocker), 앵커(anchor), 레이크(rake), 핑거(finger), 휠(wheel), 또는 모터 부재(motor member)인 것을 특징으로 하는, 시계부품 제조방법.
KR1020227036285A 2020-03-19 2021-03-16 실리콘으로 만들어진 시계부품의 제조방법 KR20220149616A (ko)

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