JP2016173355A - 機械部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械部品を、シリコン材料で精度よく且つ充分な耐久性を有するように、しかも容易に製造できるようにする。
【解決手段】（ａ）〜（ｆ）の工程で、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を形成すると共に、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を形成し、（ｇ）〜（ｊ）の工程で、そのひげぜんまい１０が加工基板２０Ａ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を加工して加工基板２０Ｃを形成する。（ｋ）の工程で、そのひげぜんまい１０に表面を平滑化する表面処理として水素アニール処理を施し、その後（ｌ）の工程で、ひげぜんまい１０を上記接続した部分を切断して加工基板２０Ｃから分離する。
【選択図】図４

Description

この発明は、機械式時計用部品等の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、シリコン等の結晶構造を有する材料を用いて、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、結晶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機械部品を、シリコン材料で精度よく且つ充分な耐久性を有するように、容易に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と共にその一部分だけが該シリコン基板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を形成する工程と、上記機械部品が上記加工基板の該機械部品以外の部分と接触しないように該加工基板を加工する工程と、該工程で加工された上記加工基板の上記機械部品に、表面を平滑化する表面処理を施す工程と、上記機械部品を、上記接続した部分を切断して上記加工基板から分離する工程とを有することを特徴とする。

この機械部品の製造方法において、上記シリコン基板として、シリコンウエハによる支持層上に二酸化珪素のボックス層とシリコンの活性層とを順に形成した基板を使用し、上記加工基板を形成する工程では、上記活性層をエッチング加工して、上記機械部品を形成すると共にその一部分だけが該活性層のエッチングされなかった部分に接続した状態で上記ボックス層上に支持されるようにし、上記加工基板を加工する工程では、上記支持層における少なくとも上記機械部品と対応する領域に開口を形成した後、上記ボックス層をエッチングによって除去するようにするとよい。

上記加工基板を形成する工程では、上記シリコン基板を深掘りＲＩＥ技術によるエッチング加工を行うのが望ましい。
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。
あるいは、上記表面処理が樹脂膜形成処理又は無機膜形成処理であってもよい。
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を製造するとよい。

この発明による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、シリコン材料で精度よく且つ充分な耐久性を有するように、比較的容易に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。 この発明の製造方法で機械部品の表面を平滑化する表面処理として実施する水素アニール処理に関する説明図である。 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図である。 この発明に至る過程で試行したひげぜんまいの製造方法の一例を説明するための要部の工程図である。 同じく他の例を説明するための要部の工程図である。 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Ｂ−Ｂ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Ｃ−Ｃ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４と同様な工程図である。 この発明による製造方法で表面を平滑化する表面処理として樹脂膜形成処理が施されたアンクルの例を示す平面図である。 図１０のＤ−Ｄ線に沿う拡大断面図である。

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。
〔機械部品の一例であるひげぜんまい〕
先ず、この発明による製造方法で製造する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、ひげ持ち１３に続く幅の狭い接続部１４のみでシリコン基板２０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の厚さをｔ、幅をｗとしたとき、ｔ＝１００〜３００μｍ、ｗ＝２０〜７０μｍ程度であり、大凡の直径は５〜７ｍｍ程度の範囲である。

〔水素アニール処理について〕
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のようなシリコン製の機械部品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製の機械部品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機械部品１に、表面を平滑化する表面処理を施す。その表面処理として高温の水素雰囲気中で水素アニール処理を行うとよい。
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）に示すように表面を平滑化する作用をなす。

それによって、シリコン製の機械部品の形状を保持したまま、エッチング加工時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）を付けることもできる。それによって、シリコン製の機械部品の品質を向上させ、耐衝撃性及び耐久性を高めることができる。
このようなシリコン構造体に対する水素アニール処理については、種々の研究報告がなされている。そして、シリコンウエハに高温の水素雰囲気中で水素アニール処理を行なって、表層の結晶欠陥を大幅に低減させる技術も公知になっている。

しかし、シリコン製の機械部品の製造工程で水素アニール処理を行なって、その強度を高めることは実施されていなかった。実際にシリコン基板をエッチング加工して形成した機械部品を、そのまま、あるいは別のシリコン基板上に支持して水素アニール処理を行うと、その機械部品の少なくとも一部がシリコン基板に接触するため、水素アニール処理中に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に機械部品の回収が不能になってしまう問題が生じてしまった。この問題の詳細については、後に説明する。

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あるが、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。
この発明による機械部品の製造方法は、上述したような問題を解消して、シリコン基板をエッチング加工して形成した機械部品を、その製造工程中で表面を平滑化する水素アニール処理等の表面処理を行なってその強度を高め、その後容易に回収できるようにする。

〔この発明によるひげぜんまいの製造方法〕
そこで、この発明の一実施形態として、ひげぜんまい製造方法を図４によって説明する。
図４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４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４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を形成すると共に、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を形成する工程である。
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〜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、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して平滑化することができる。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表面を平滑化し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。

〔この発明に至るまでの試行例〕
ここで、この発明に至る過程で試みたひげぜんまいの製造方法の試行例について、図５及び図６によって説明する。
図５は、その第１の試行例の図４における（ｆ）以降の工程に相当する工程図である。
図４における（ａ）〜（ｆ）と同様な工程によって、シリコン基板２０の活性層２３をエッチング加工して、図５の（ｆ）の工程に示すように、ボックス層２２上にひげぜんまい１０を形成した加工基板２０Ａを形成する。

そして、（ｇ）の工程で、フッ酸によって加工基板２０Ａのボックス層２２とマスクに使用した二酸化珪素膜３１を除去し、加工基板２０Ｄにする。
すると、ひげぜんまい１０は、図６で右端側の接続部のみで活性層２３と接続された片持状態になるため、自重と弾性によって少なくともひげ玉が設けられた中央部がボックス層２２の厚さ分だけ降下して、支持層２１の上面に接触する。
そこで、（ｈ）の工程で、ひげぜんまい１０と活性層２３との接続部を切断して、ひげ玉を設けたひげぜんまい１０を加工基板２０Ｄから分離して取り出す。

そして、（ｉ）の工程で、そのひげぜんまい１０を別の新規なシリコン基板（シリコンウエハ）４０上に載置し、（ｊ）の工程で、全体を高温の水素雰囲気にして水素アニール処理を行った。
その後、ひげぜんまい１０をシリコン基板４０上から回収しようとしたが、ひげぜんまい１０とシリコン基板４０との接触部が張り付き、水素アニール処理後のひげぜんまい１０を、シリコン基板４０から分離して回収することができなかった。

（ｈ）の工程でシリコン基板２０から分離して取り出したひげぜんまい１０を、シリコン以外の張り付きが発生しない支持部材上に置いて、水素アニール処理をすることも考えられる。しかし、そうすると、水素アニール処理中にその支持部材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、そのような支持部材は使用できない。

図６は、その第２の試行例の図４における（ｆ）以降の工程に相当する工程図である。
この場合も、図４における（ａ）〜（ｆ）と同様な工程によって、シリコン基板２０の活性層２３をエッチング加工して、図６の（ｆ）の工程に示すように、ボックス層２２上にひげぜんまい１０を形成した加工基板２０Ａを形成する。

そして、（ｇ）の工程で、フッ酸によって加工基板２０Ａのボックス層２２とマスクに使用した二酸化珪素膜３１を除去し、加工基板２０Ｄにする。
すると、ひげぜんまい１０は、図６で右端側の接続部のみで活性層２３と接続された片持状態になるため、自重と弾性によって少なくともひげ玉が設けられた中央部がボックス層２２の厚さ分だけ降下して、支持層２１の上面に接触する。
その状態で、（ｈ）の工程で、全体を高温の水素雰囲気にして水素アニール処理を行った。

その後、ひげぜんまい１０と活性層２３との接続部を切断して、ひげぜんまい１０を加工基板２０Ｄから分離して回収しようとしたが、ひげぜんまい１０の少なくともひげ玉１２と支持層２１との接触部が張り付き、水素アニール処理後のひげぜんまい１０を、加工基板２０Ｄから分離して回収することができなかった。ひげぜんまい１０を無理に回収しようとしたら、破損してしまった。

このように、従来のひげぜんまいの製造工程に、容易に考えられる方法で水素アニール工程を追加しても、機械部品によっては水素アニール処理後に、その機械部品をシリコン基板から分離して回収できなくなってしまう。
ひげぜんまい１０の場合は、仮にひげぜんまい１０の左右両側あるいはそれ以上の個所で加工基板２０Ｄの活性層２３と接続したとしても、ひげ玉１２を設けた中央部が自重によって下がり、そこに支持層２１が存在するとそれに接触してしまう。そのため、その状態で水素アニール処理を行うと、ひげぜんまい１０のひげ玉１２を設けた中央部と加工基板２０Ｄの支持層２１とが張り付き、ひげぜんまい１０を加工基板２０Ｄから分離して回収できなくなる。

この発明によれば、シリコン基板をエッチング加工して形成した機械部品が、シリコン基板の他の部分と接触しないようにシリコン基板を加工して、その機械部品の表面を平滑化する水素アニール処理等の表面処理を行うことによってこの問題を解決した。

〔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７と図８によって説明する。
図７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４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Ｂ−Ｂ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４に示した加工基板２０Ｃと同じ符号を使用する。

図４における（ａ）〜（ｆ）の工程と同様の工程によって、図７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７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７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７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４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、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して平滑化することができ、張り付きが発生することはない。
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表面を平滑化し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８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４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Ｃ−Ｃ線に沿う断面の端面図である。なお、この図８においても、便宜上、加工基板２０Ｃとその各層には、図４に示した加工基板２０Ｃと同じ符号を使用する。

図４における（ａ）〜（ｆ）の工程と同様の工程によって、図８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８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、シリコン基板に保持されている。
そして、図８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８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４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、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２３ｄ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して平滑化することができ、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表面を平滑化し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９によって説明する。図９は、そのアンクル製造方法の各工程を示す図４と同様な工程図であり、図４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９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８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８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８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９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の表面を平滑化する表面処理として、例えば、前述したひげぜんまい１０の製造方法の場合と同様に、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、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の品質が向上し、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して平滑化することができる。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、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表面を平滑化し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。

〔表面を平滑化する表面処理の他の例〕
この発明による機械部品の製造方法において、機械部品の表面を平滑化する表面処理として樹脂膜形成処理を施してもよい。
図１０は、この発明による製造方法で表面を平滑化する表面処理として樹脂膜形成処理が施されたアンクルの例を示す平面図であり、図１１は、図１０のＤ−Ｄ線に沿う拡大断面図である。図１０において図８に示したアンクル６０の各部と対応する部分には同一の符号を付してあり、それらの説明は省略する。

シリコン基板を深掘りＲＩＥ技術によって厚さ方向にエッチングを行って形成したアンクル６０には、その厚さ方向の外周側面であるエッチング面に、図１１に示すようにスキャロップやマイクロクラック等のミクロな凹凸５が連続して発生している。それが、このようなシリコン製の機械部品の耐衝撃性や耐久性を低下させる原因となっている。
前述した各実施形態では、このようなシリコン製の機械部品の表面を平滑化する表面処理として水素アニール処理を施したが、この実施形態ではそれに代えて気相重合法による樹脂膜形成処理を施す。

すなわち、図１０及び図１１に示す例では、アンクル６０（図１１は爪部６３の拡大断面を示す）の全表面に薄い樹脂膜７を形成して、ミクロな凹凸５を樹脂膜７で被覆（コーティング）して平滑化している。
この樹脂膜形成処理としては、ポリパラキシリレン系ポリマー膜を形成する処理を施すとよい。ポリパラキシリレン系ポリマーは、日本パリレン合同会社によって提供されているパリレン（登録商標）であり、気相重合プロセスにより、数百オングストロームから７５μｍの厚さの薄い樹脂膜を形成することができる。

このポリパラキシリレン系ポリマー膜を形成する処理は、まず、原料となる固体のジパラキシリレン（二量体）を約１５０℃で気化する。そして、その気化した二量体ガスを約６８０℃に加熱して熱分解し、メチレン−メチレン結合を切断して両端がラジカル化されたパラキシリレン・モノマーを生成する。

このモノマーガスを、例えば図８に示した状態でアンクル６０を支持した加工基板２０Ｃを配置した真空チャンバー内に導入し、アンクル６０のシリコン基材表面上で蒸着・重合させ、ポリパラキシリレン系ポリマー膜を形成する。真空チャンバー内の真空度は、０．１Ｔｏｒｒ（１３Ｐａ）程度でよい。図９に示した製造工程の場合は、（ｋ）の工程でアンクル６０を支持した加工基板２５Ｃを真空チャンバー内に配置し、モノマーガスを導入して、アンクル６０の表面にポリパラキシリレン系ポリマー膜を形成する。その膜厚は５μｍ程度あるいはそれ以下でよい。

このモノマーガスによる蒸着・重合工程では、気体のモノマー分子が対象のあらゆる面に万遍なく接触して成膜が行われるため、ピンホールが発生することなく、非常に均一で薄い樹脂膜７を形成することができる。
また、この成膜工程には液相が全く存在しないため、液体特有の表面張力による液だまりや液だれ、架橋現象や毛細管現象による凹凸やエッジ部の成膜不良などの欠陥が生じることはない。

この樹脂膜形成処理は、アンクルの製造に限らず、前述したひげぜんまいやガンギ車をはじめ各種の機械部品を製造する場合にも、その表面を平滑化する表面処理として、前述した水素アニール処理に代えて行うことができる。
ひげぜんまいを製造する場合は、例えば図４に示した製造工程における（ｋ）の工程で、ひげぜんまい１０を支持した加工基板２０Ｃを真空チャンバー内に配置し、ガンギ車を製造する場合は、例えば図７に示したガンギ車５０を支持する加工基板２０Ｃを真空チャ
ンバー内に配置して、上述した樹脂膜形成処理を施す。

ひげぜんまいは、寸法精度の要求が極めてシビアであるが、形成する樹脂膜の膜厚を５μｍ以下にすれば、寸法精度に与える影響は極めて僅かである。
なお、シリコン製の機械部品の表面にこの樹脂膜を形成することによって、耐衝撃性及び物理的耐久性が高まるだけでなく、電気的絶縁性や化学的耐久性も大幅に高まる。

また、表面処理としては、このような気相重合法による樹脂膜形成に限定されない。例えば、気相合成法によるダイヤモンドライクカーボン（Diamond-Like Carbon；ＤＬＣ）膜を形成する等の無機膜形成処理でも同様な効果を得ることができる。

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：シリコン製の機械部品 ５：ミクロな凹凸 ７：樹脂膜
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 (7)

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と共にその一部分だけが該シリコン基板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を形成する工程と、
   前記機械部品が前記加工基板の該機械部品以外の部分と接触しないように該加工基板を加工する工程と、
   該工程で加工された前記加工基板の前記機械部品に、表面を平滑化する表面処理を施す工程と、
   前記機械部品を、前記接続した部分を切断して前記加工基板から分離する工程と
   を有することを特徴とする機械部品の製造方法。
2. 請求項１に記載の機械部品の製造方法において、
   前記シリコン基板として、シリコンウエハによる支持層上に二酸化珪素のボックス層とシリコンの活性層とを順に形成した基板を使用し、
   前記加工基板を形成する工程では、前記活性層をエッチング加工して、前記機械部品を形成すると共にその一部分だけが該活性層のエッチングされなかった部分に接続した状態で前記ボックス層上に支持されるようにし、
   前記加工基板を加工する工程では、前記支持層における少なくとも前記機械部品と対応する領域に開口を形成した後、前記ボックス層をエッチングによって除去することを特徴とする機械部品の製造方法。
3. 前記加工基板を形成する工程では、前記シリコン基板を深掘りＲＩＥ技術によるエッチング加工を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の機械部品の製造方法。
4. 前記表面処理が水素アニール処理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機械部品の製造方法。
5. 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４に記載の機械部品の製造方法。
6. 前記表面処理が、樹脂膜形成処理又は無機膜形成処理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機械部品の製造方法。
7. 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６のいずれか一項に記載の機械部品の製造方法。
   

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