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CN106276772A - 具有减小的接触面的微机械部件及其制造方法 - Google Patents

具有减小的接触面的微机械部件及其制造方法 Download PDF

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CN106276772A CN201610465132.0A CN201610465132A CN106276772A CN 106276772 A CN106276772 A CN 106276772A CN 201610465132 A CN201610465132 A CN 201610465132A CN 106276772 A CN106276772 A CN 106276772A
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etch
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Abstract

本发明涉及具有至少一个减少的接触面的硅基部件，所述硅基部件是由这样的方法形成的：所述方法结合了至少一个倾斜侧壁蚀刻步骤和竖直侧壁“博世”蚀刻，所述硅基部件特别是改进了由微加工硅基片形成的部件的摩擦性能。

Description

具有减小的接触面的微机械部件及其制造方法
技术领域
本发明涉及具有减少的接触面的微机械部件，以及它的制造方法。更具体地，本发明涉及这样一种部件，所述部件是通过将材料片微加工而形成的。
背景技术
瑞士专利698837披露了通过将非结晶或结晶材料(如晶体硅或多晶硅)的晶片微加工而制造钟表部件。
这种微加工通常是通过深反应离子蚀刻(也以“DRIE”的缩写为人所知)来实现的。如附图1至附图3所示，已知的微加工方法包括在基体3上构建掩模1(参见附图1，步骤A)，继之以“博世(Bosch)”深反应离子蚀刻，所述深反应离子蚀刻连续结合了蚀刻阶段(参见附图1，步骤B、D、E)继之以钝化阶段(参见附图1，步骤C，层4)，从而由掩模1的图样在晶片中获得各向异性的(即大体上垂直的)蚀刻体5(参见附图2)。
如附图3所示，“博世”深反应离子蚀刻的范例用实线示出了用于蚀刻硅片的SF6的流量，并用虚线示出了用于钝化(即保护)硅片的C4F8的流量，所述SF6和C4F8的流量以sccm计，所述sccm作为以秒计的时间的函数。由此可清晰地看到，各阶段是严格连续的，且每一阶段具有特定的流量和时间。
在附图3的范例中，示有第一蚀刻阶段G1，所述第一蚀刻阶段具有在300sccm持续7秒的SF6流，继之以第一钝化阶段P1，所述第一钝化阶段具有在200sccm持续2秒的C4F8流，继之以第二蚀刻阶段G2，所述第二蚀刻阶段具有在300sccm再次持续7秒的SF6流，并最终继之以第二钝化阶段P2，所述第二钝化阶段具有在200sccm再次持续2秒的C4F8流，以此类推。因此应注意，一定数量的参数使得“博世”深反应离子蚀刻工艺能够变化，以在竖直蚀刻体5的壁中获得更多或更少的扇形区域。
在制造几年之后，发现这些竖直蚀刻体5并不完全令人满意，特别是关于摩擦性能方面。
发明内容
本发明的目的是通过提出新型的微机械部件和新型的制造方法，使得可改进由微加工材料片而形成的部件的摩擦性能，从而克服所有或部分上述缺陷。
本发明因此涉及制造硅基微机械部件的方法，所述方法包括以下步骤：
a)取用硅基基体；
b)在基体的水平部分上形成掩模，所述掩模穿刺有孔；
c)在蚀刻腔室内、在基体的部分厚度中，从掩模的孔处，蚀刻出大体竖直的壁，从而形成微机械部件的外壁；
d)在竖直壁上形成保护层，并且，使得在步骤c)中形成的蚀刻体的底部无任何保护层；
e)在蚀刻腔室内、在基体的剩余厚度中，从无保护层的底部蚀刻出预先确定的斜壁，从而在微机械部件的外壁下方形成斜的下表面；
f)从掩模和基体脱出微机械部件。
应理解，在同一蚀刻腔室内获得了两种不同类型的蚀刻。应很明确，步骤e)的倾斜蚀刻可形成大体倾斜的第二表面并在同一基体上形成若干个微机械部件，所述微机械部件具有的外壁具有减少的接触面。还可以看到，仅在竖直壁上设置保护层的结果是，步骤e)的倾斜蚀刻允许了可观的更大开角和大体直线方向的蚀刻，这避免了受限于博世深反应离子蚀刻的参数，所述博世深反应离子蚀刻相反地以其优化的竖直蚀刻参数用在步骤c)中。
根据本发明的其它有利变型：
–步骤c)是通过在蚀刻腔室内交替蚀刻气流和钝化气流从而形成大体竖直的壁来实现的；
–步骤d)包括阶段d1)：氧化在步骤c)中获得的蚀刻体以形成氧化硅保护层；以及阶段d2)：定向蚀刻保护层以选择性地仅除去步骤c)中制成的蚀刻体的底部处的保护层；
–步骤e)是通过在蚀刻腔室内混合蚀刻气体和钝化气体从而形成斜壁来实现的；
–在步骤e)中，使持续的蚀刻气体流和钝化气体流脉冲化以增强空腔底部的蚀刻。
此外，本发明涉及由根据任一种前述变型的方法获得的微机械部件，其特征在于，部件包括硅基主体，所述主体的外壁包括第一大体竖直表面和第二斜面，由此减少了外壁的接触面。
有利地，根据本发明应理解，微机械部件的外围或内部竖直壁提供了减少的接触面，或当沿微机械部件的内壁插入元件时，可提供与另一部件改进的摩擦接触。
根据本发明的其它有利变型：
–微机械部件还包括至少一个具有内壁的空腔，所述内壁也包括第一大体竖直表面和第二大体倾斜表面；
-微机械部件形成了钟表的运动部件或外部部件中的所有或部分的元件。
附图说明
从以下通过非限制性说明的方式给出的描述，并参考附图，可清晰地显示出其它特征和优势，其中：
–附图1至附图3是用于解释本发明范围内采用的“博世”深反应离子蚀刻工艺的图解；
–附图4至附图10是用于根据本发明制造微机械部件的方法的步骤视图；
–附图11是根据本发明的微机械部件的视图；
–附图12是根据本发明的制造方法的流程图。
具体实施方式
本发明涉及用于制造硅基微机械部件的方法11。如附图12所示，方法11包括取用硅基基体的第一步骤13。
术语“硅基”意为一种材料，所述材料包括单晶硅、掺杂单晶硅、多晶硅、掺杂多晶硅、多孔硅、氧化硅、石英、二氧化硅、氮化硅或碳化硅。当然，当硅基材料处于结晶相时，可采用任一晶体取向。
典型地，如附图4所示，硅基基体31可以是绝缘硅基基体(也以“SOI”的缩写为人所知)，所述绝缘硅基基体包括由中间氧化硅层32结合的上硅层30和下硅层34。但是，可选地，基体可包括加到另一类型基体(例如金属基体)上的硅层。
该方法继之以步骤15，即在基体31的水平部分上形成掩模33，所述掩模穿刺有孔35。在附图4的范例中，掩模33形成于上硅层30的上部。掩模33由能够承受方法11的未来蚀刻步骤的材料形成。因此，掩模33可由氮化硅或氧化硅形成。在附图4的范例中，掩模33由氧化硅形成。
根据本发明，有利地，方法11继之以步骤17，即在蚀刻腔室内、基体31的至少部分厚度中，从掩模33中的刺穿孔35蚀刻出大体竖直的壁36，从而形成微机械部件的外壁或内壁。
典型地，大体竖直的蚀刻步骤17是上文描述的“博世”深反应离子蚀刻，即在蚀刻腔室内交替蚀刻气流和钝化气流，从而形成大体竖直的壁36。
实际上，步骤17允许了相对于掩模33大体竖直的蚀刻方向，如附图5中可见。由此获得了蚀刻体39，所述蚀刻体的截面(在附图5中可见)是大体上直角四边形的形式。当然，蚀刻期间除去的体积的形状随孔35的形状而变化。因此，圆形的孔会给出圆柱形蚀刻体，而方形孔会给出正方体或长方体。
方法11继之以步骤19，即在竖直壁36上形成保护层42，并且使得蚀刻体39的底部38无任何保护层，如附图7所示。
优选地，保护层42由氧化硅形成。确实，如附图6和附图7所示，步骤19可随后包括第一阶段18，所述第一阶段用于氧化基体31的整个顶部，即掩模33(若由氧化硅制成)、由蚀刻体39形成的壁36和底部38，以在掩模33上形成增加的厚度，并在蚀刻体39的竖直壁36和底部38上形成厚度，以形成由氧化硅制成的保护层42。
随后第二阶段20可包括定向蚀刻保护层42，从而选择性地从部分的掩模33、以及从保护层42仅在蚀刻体39的底部38上的完整部分除去水平氧化硅表面，如附图7所示。
方法11可随后继之以步骤21，即在同一蚀刻腔室内、但根据预先确定的斜壁37，在基体31的剩余厚度中，从无任何保护层42的底部38进行蚀刻，从而在微机械部件的外壁下方形成斜下表面。
倾斜蚀刻步骤21并非上文描述的“博世”深反应离子蚀刻。确实，保护层42的结果是，步骤21允许了大得多的开角和大体直线的蚀刻方向，这避免了受限于“博世”深反应离子蚀刻的参数。确实，通常认为，即使通过调整“博世”深反应离子蚀刻的参数，曲线形蚀刻方向的开角也无法超过10度。
有利地，根据本发明，步骤21是优选通过在蚀刻腔室内混合SF6蚀刻气体和C4F8钝化气体以形成斜壁37来实现的。更具体地，持续的SF6蚀刻和C4F8钝化气流被脉冲化以增强在空腔底部的蚀刻。
因而可理解，步骤21允许了大得多的开角(典型地，在附图8的范例中约45度)，替代了采用参数优化调整的“博世”深反应离子蚀刻获得的最大10度。有利地，根据本发明，步骤21可由此给出精确的开角而无需调整竖直壁36的表面。竖直壁36和斜壁37之间的角度是可高度重复的，并可有利地构成于大致0°和大致45°之间。如上文所解释，尤其是以大于10°的角度蚀刻的可能性使其相较于“博世”深反应离子蚀刻不同寻常。优选地，根据本发明的在竖直壁36和斜壁37之间的角度大于10°并小于45°，更优选地，大于20°并小于40°。
此外，持续的流体脉冲允许了改进的蚀刻方向性，甚至可提供大体截锥形的壁而不是像采用湿式蚀刻或干式蚀刻(例如仅用SF6气体)的球形壁(有时称作各向同性蚀刻)。
为了获得附图8中壁37的形状，可例如应用一序列，所述序列可包括SF6气流与C4F8气流混合第一持续时间的第一阶段，继之以增加的SF6气流与减少的C4F8气流混合第二持续时间的第二阶段，然后再次第一和第二阶段，以此类推。
作为例子，该序列可包括500sccm的SF6气流与150sccm的C4F8气流混合1.2秒的第一阶段，继之以600sccm的SF6气流与100sccm的C4F8气流混合0.8秒的第二阶段，再继之以500sccm的SF6气流与150sccm的C4F8气流混合1.2秒的第三阶段，并继之以600sccm的SF6气流与100sccm的C4F8气流混合0.8秒的第四阶段，以此类推。
由此应注意到，持续的气流脉冲增强了空腔底层处的蚀刻，这会在步骤21期间逐渐拓宽蚀刻体41的可能开口，作为其深度的函数，并且顺带在上层30的下部拓宽了更宽的蚀刻开口41，直至获得了蚀刻开口41，所述蚀刻开口宽于掩模33中的孔35、或宽于在步骤21开始时的蚀刻体39的底部38的截面，如从附图7至附图8的变化中可见。
最后，方法11以步骤23结束，即从基体31和从掩模33脱出微机械部件。更具体地，在附图9和附图12所示的范例中，步骤23可包括脱氧阶段24和随后在例如选择性化学蚀刻的协助下从基体31的脱出阶段25，所述脱氧阶段24用于除去氧化硅掩模33以及可能地除去全部或部分的中间氧化硅层32。
在附图12中以单线示出的方法11允许了在同一蚀刻腔室内两种不同类型的蚀刻。还可观察到，步骤21的倾斜蚀刻允许了可观的更大开角和大体直线方向的蚀刻，这避免了受限于“博世”深反应离子蚀刻的参数，以及在步骤17中以优化的竖直蚀刻参数来采用“博世”深反应离子蚀刻。
有利地，根据本发明，在附图11的范例中形成了轮的微机械部件51包括外壁54，所述外壁形成了边齿，所述边齿包括减少的接触面。
如在附图10中(该附图是部件51的一部分的放大视图)更清楚地可见，微机械部件51因此包括硅基主体61，所述主体的外壁54邻接水平上表面53和水平下表面55，并包括第一大体竖直表面56和第二斜表面57。
由此可清楚看到，第二倾斜、大体直线的表面57为形成边齿的外壁54提供了减少的接触面，所述减少的接触面允许了与另一部件改进的摩擦接触。也可清楚看到，孔60的内壁也可更容易地接纳元件。
当然，本发明不限于图示的范例，而是能够有对本领域人员显见的各种变型和改型。特别地，可在步骤21和23之间执行用以平滑硅壁的氧化步骤22。
此外，可在阶段24和25之间的可选步骤中，在蚀刻体41中沉积金属或合金部分，从而在微机械部件51的孔60中形成套筒59，如附图11所示。
该金属或合金部分甚至可以覆盖在蚀刻体41上以形成仅由金属形成的复合微机械部件51的额外的功能层。
因此，在使基体31脱氧的步骤24之后，方法11可继之以用金属或合金选择性地填充在蚀刻步骤17和21期间形成的空腔、从而提供至微机械部件的附接件的步骤。
作为例子，优选地，基体31的下层34可随后被高度掺杂并用作直接或非直接基体以供通过电镀填充。由此，第一阶段可用于在掩模33的顶上和蚀刻体41的部分中形成例如由光敏树脂制成的模子。第二阶段可包括至少在微机械硅部件和在蚀刻体41中形成的模子的一部分之间，从下层34电镀金属部分。最后，第三阶段可包括除去第一阶段形成的模子。方法以阶段25告终，即通过选择性化学蚀刻从基体31脱出复合微机械部件。
有利地，根据本发明，由此可理解，由于第一大体竖直表面56和第二斜表面57的形状，电沉积59比本质上竖直的表面更难除去，并具有改进的剪切阻力。
此外，至少部分地填充有金属或合金59的所述至少一个孔60可提供至复合微机械部件51的附接件。由此，在附图11的范例中，孔60可留有圆柱形凹陷62，当金属或合金部分59因外壁54的形状而扩展时，所述凹陷允许复合微机械部件51以良好的机械强度驱动至心轴上。
最后，微机械部件51不限于附图11所示的轮的应用。因此，微机械部件51可形成钟表的运动部件或外部部件中的所有或部分的元件。
作为非限制性范例，微机械部件51可因此形成以下部件的所有或一部分：游丝、冲击针、摆轮、心轴、圆盘、擒纵叉(例如擒纵叉轴、擒纵叉杆、擒纵叉头、擒纵叉瓦)或护销、轮组(例如轮子、心轴或齿轮)、条棒、平板、摆陀、上链把、轴承、壳体(例如中心表壳)或表耳、表盘、凸缘、表圈、推片、表冠、底盖、指针、手链(例如链环)、装饰品、镶字块、表镜、勾扣、表面脚、设置轴或推片轴。

Claims (8)

1.一种用于制造硅基微机械部件(51)的方法，所述方法包括以下步骤：
a)取用硅基基体(30)；
b)在基体(30)的水平部分上形成掩模(33)，所述掩模穿刺有孔(35)；
c)在蚀刻腔室内、在基体(30)的部分厚度中，从掩模(33)的孔(35)蚀刻出大体竖直的壁(36)，从而形成微机械部件(51)的外壁(56)；
d)在竖直壁(36)上形成保护层(42)，并且，使得在步骤c)中形成的蚀刻体(39)的底部(38)无任何保护层；
e)在蚀刻腔室内、在基体(30)的剩余厚度中，从无保护层的底(38)蚀刻出预先确定的斜壁(37)，从而在微机械部件的外壁(56)下方形成斜的下表面(57)；
f)从掩模(33)和基体(30)脱出微机械部件(51)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c)是通过在蚀刻腔室内交替蚀刻气流和钝化气流从而形成大体竖直的壁(36)来实现的。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤d)包括以下阶段：
d1)氧化在步骤c)中获得的蚀刻体(39)以形成保护性氧化硅层(42)；
d2)定向蚀刻保护层(42)以选择性地仅除去步骤c)中形成的蚀刻体(39)的底部(38)上的保护层(42)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤e)是通过在蚀刻腔室内混合蚀刻气体和钝化气体从而形成斜壁(37)来实现的。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤e)中，持续的蚀刻气体流和钝化气体流被脉冲化以增强在蚀刻体(39)底层的蚀刻。
6.由根据权利要求1的方法获得的微机械部件(51)，其特征在于，微机械部件包括硅基主体(61)，所述主体的外壁(54)包括第一大体竖直表面(56)和第二斜面(57)，由此减少了外壁(54)的接触面。
7.根据权利要求6所述的微机械部件(51)，其特征在于，微机械部件还包括至少一个具有内壁的孔(60)，所述内壁也包括第一大体竖直表面(56)和第二大体斜面(37)。
8.根据权利要求6或7所述的微机械部件(51)，其特征在于，微机械部件(51)形成了钟表的运动部件或外部部件的全部或部分的元件。
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