具有至少一个斜面的硅基部件及其制造方法与流程

本发明涉及具有至少一个斜面/倒棱(chamfer)的硅基微机械部件及其制造方法。更具体地，本发明涉及通过微加工硅基片形成的这样一种部件。

背景技术：

瑞士专利698837披露了通过微加工非结晶或结晶材料(如晶体硅或多晶硅)的晶片而制造钟表部件。

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4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(即大体竖直的)蚀刻体5(参见附图2和附图4)。

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晶片的SF₆的流量，并用虚线示出了用于钝化(即保护)硅晶片的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，特别是由于易剥落的直角边缘和所获部件的“简陋”的本质。

技术实现要素：

本发明的目的是通过提出新型的硅基微机械部件和新型的制造方法，特别地，以使由微加工硅基片所形成的部件改进美学特性并改进机械强度，从而克服所有或部分的上述缺陷，

本发明因此涉及用于制造微机械部件的方法，所述微机械部件由硅基材料制成，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，从掩模中的孔处，蚀刻出预先确定的斜壁，从而形成微机械部件的上斜面；

d)在蚀刻腔室内、在基体的至少部分厚度中，从在步骤c)中形成的第一蚀刻体的底部蚀刻出大体竖直的壁，从而在上斜面下方形成微机械部件的外壁。

e)从基体和掩模脱出微机械部件。

应理解，在同一蚀刻腔室内获得了两种不同类型的蚀刻而无需从腔室除去基体。应很明确，步骤c)中的倾斜蚀刻除去了分别在蚀刻出的竖直外壁或内壁之间的大体直角边缘，以在同一基体内以及基体的上下表面中形成了若干个微机械部件。还可以看到，步骤c)中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优化的竖直蚀刻参数用在步骤d)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混合蚀刻气体和钝化气体从而形成预先确定的斜壁来实现的；

–步骤c)中，持续的蚀刻气体流和钝化气体流被脉冲化以增强在底层的钝化；

–步骤d)是通过在蚀刻腔室内交替蚀刻气体流和钝化气体流从而形成大体竖直的壁来实现的；

–在步骤d)和步骤e)之间，方法还包括以下步骤：f)：在预先确定的斜壁和大体竖直的壁上形成保护层，并且使得步骤d)的蚀刻体底部没有任何保护层，以及g)：在蚀刻腔室内、在基体的剩余厚度中，从在步骤d)中形成的蚀刻体的没有任何保护层的底部，蚀刻出第二预先确定的斜壁，从而形成微机械部件的下斜面；

–步骤g)是通过在蚀刻腔室内混合蚀刻气体和钝化气体从而形成第二预先确定的斜壁来实现的；

–在步骤g)中，持续的蚀刻气体流和钝化气体流被脉冲化以增强底层处的蚀刻；

-步骤f)包括以下阶段：f1)：氧化预先确定的斜壁和大体竖直的壁以形成保护性氧化硅层；以及f2)：定向蚀刻氧化硅保护层以选择性地仅从在步骤d)形成的蚀刻体的底部除去保护层；

在步骤e)之前，方法还包括步骤h)：用金属或金属合金填充在微机械部件的蚀刻期间产生的空腔，从而提供至微机械部件的附接，所述微机械部件由上斜面、外壁和下斜面形成。

此外，本发明涉及从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，所述主体的大体竖直外壁经由上斜面邻接水平上表面。

有利地，根据本发明，通过形成具有更为精细的美学光洁度的部件，微机械部件具有可观的美学改进。此外，特别是通过减少大体直角边缘剥落的可能性，大体直线的斜面提供了改进的机械强度，所述大体直角的边缘分别在微机械部件的竖直外壁和/或内壁以及上和/或下表面之间。

也很清楚，竖直外壁和/或内壁提供了减少的接触面，所述减少的接触面提供了与其它部件的摩擦接触方面或沿微机械部件的内壁插入元件方面的改进。最后，斜面的结果是使竖直外壁和/或内壁的凹陷区域更为敞开，这使得用于接纳粘合剂或润滑剂的体积容量能够增加。

根据本发明的其它有利变型：

–主体的大体竖直外壁还经由下斜面邻接水平下表面；

–微机械部件还包括至少一个空腔，所述空腔包括大体竖直的内壁，所述内壁也在所述上和下水平面之间包括中间的上和下斜面。

–所述至少一个空腔至少部分地填充有金属或合金，以提供至微机械部件的附接；

–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4是用于解释用在本发明范围内的“博世”深反应离子蚀刻工艺的图解；

–附图5至附图10是根据本发明的第一实施例的微机械部件的制造步骤的图解；

–附图11至附图16是根据本发明的第二实施例的微机械部件的制造步骤的图解；

附图17是根据本发明的第三实施例的微机械部件的制造步骤的图解；

附图18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18所示，根据示为单线的第一实施例的方法11包括第一步骤13，所述第一步骤包括取用硅基基体。

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，可采用任一种晶体取向。

典型地，如附图9所示，硅基基体41可以是绝缘硅基体(也以“SOI”的缩写为人所知)，所述绝缘硅基体包括由中间氧化硅层42结合的上硅层40和下硅层44。但是，可选地，基体可包括加到另一类型基底(例如金属基底)上的硅层。

根据第一实施例的方法继之以步骤15，即在基底41的水平部分上形成掩模43，所述掩模穿刺有孔45。在附图9的范例中，掩模43形成于上硅层40的上部。掩模43由能够承受方法11的未来蚀刻步骤的材料形成。因此，掩模43可由氮化硅或由氧化硅形成。在附图9的范例中，掩模43由氧化硅形成。

根据本发明，有利地，根据第一实施例的方法11继之以步骤17，即从掩模43中的孔45，在基体41的部分厚度中，在蚀刻腔室内蚀刻出预先确定的斜壁46，从而形成微机械部件的上斜面。

倾斜蚀刻步骤17并非上文描述的“博世”深反应离子蚀刻。实际上，步骤17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。

实际上，如附图5和附图6所示，有利地，根据本发明，步骤17是通过在蚀刻腔室内混合SF₆蚀刻气体和C₄F₈钝化气体从而形成斜壁46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逐渐形成的空腔的底层处的钝化。

因此应理解，步骤17允许了大得多的开角(典型地，在附图5的范例中约45度)，替代了利用具有优化参数调整的“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17可由此给出精确的开角。在即将有的竖直壁47和斜壁46之间的角度是可高度复制的，并可有利地介于大体0°和大体45°之间。如上文所述，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、在即将有的竖直壁47和斜壁46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，且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5中壁46的形状，可应用例如附图6的序列。该序列包括500sccm的SF₆流与150sccm的C₄F₈流混合1.2秒的第一阶段P₁，继之以示为400sccm的SF₆流与250sccm的C₄F₈流混合0.8秒的第二阶段P₂，再次继之以500sccm的SF₆流与150sccm的C₄F₈流混合1.2秒的第三阶段P₁，并继之以400sccm的SF₆流与250sccm的C₄F₈流混合0.8秒的第四阶段P₂，由此类推。

因此应注意，持续的气流脉冲增强了逐渐形成的空腔的底层处的钝化，这会在步骤17中逐渐限制蚀刻体49随深度方向的可能开口，并附带地，在上层40的上部中获得了更开阔的蚀刻开口49，直至在上层40的上部中获得了比孔45更开阔的蚀刻开口49，如附图5可见。

根据第一实施例的方法11继之以步骤19，即在同一蚀刻腔室内用同一掩模43，在基底41的层40的至少部分厚度中，从第一蚀刻体49的底部蚀刻出大体竖直的壁47，从而在上斜面的下方形成微机械部件的大体竖直的外壁。

典型地，大体竖直的蚀刻步骤19是上文所述的“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。

因此，步骤19允许了相对于掩模43大体竖直的蚀刻方向，如附图7所示，该图是在步骤19之后得到的截面。由此获得了蚀刻截面51，所述截面的基底大体形成了直角四边形并继之以大体锥形。

第一实施例以步骤21告终，即从基体41和从掩模43脱出微机械部件。更具体地，在附图7所示范例中，步骤21可包括脱氧阶段22以除去氧化硅掩模43和可能的部分中间氧化硅层42，以及在例如选择性化学蚀刻的协助下从基体41的脱模阶段23。

在附图18中示为单线的方法11的第一实施例允许了在同一蚀刻腔室内两种不同类型的蚀刻而无需将基体从腔室除去。可非常清楚，步骤17的倾斜蚀刻除去了在基体41的层40的所蚀刻的竖直外壁和/或内壁以及上和下表面之间的大体直角的边缘，以在同一基体41上形成一个或多个微机械部件。

还可看到，步骤17的倾斜蚀刻允许了大得多的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19中以优化的竖直蚀刻参数采用“博世”深反应离子蚀刻。

有利地，根据本发明，在附图16的范例中形成了擒纵器的微机械部件101通过提供更为精细的光洁度而具有可观的美学改进。实际上，相较于附图4，微机械部件101的精细特质立即显现了。

如附图8中更为清晰可见(所述附图8是部件101一部分的放大视图)，微机械部件101因而包括硅基主体103，所述主体的竖直外壁105经由上斜面106邻接水平上表面104。

因而可清楚，特别是通过减少大体直角边缘剥落的可能性，大体直线的上斜面106提供了改进的机械强度，所述大体直角的边缘分别在微机械部件101的竖直外壁和/或内壁105以及上或下表面104之间。

还可清楚，大体竖直的外壁105提供了减少的接触面，这提供了与其它部件摩擦接触方面的改进，或提供了在微机械部件101的两个大体竖直壁105之间插入擒纵叉瓦方面的改进。最后，有上斜面106的结果是，大体竖直的外壁和/或内壁105的凹陷部分更为敞开，这使得能够增加用于容纳粘结剂或润滑剂的体积容量，如在附图16所示的凹陷部分107的例子中，所述凹陷部分用于容纳能够将擒纵叉瓦附接至擒纵器的材料。

根据本发明的第二实施例，方法11包括与第一实施例相同的步骤13至19并具有相同的特征和技术效果。方法11的第二实施例还包括在附图18中以双线示出的步骤。

因此，在形成蚀刻体51的步骤19之后，第二实施例的方法11继之以步骤25，即在斜壁46和大体竖直的壁47上形成保护层52，并且使得蚀刻体51的底部没有任何保护层，如附图12所示。

优选地，保护层52由氧化硅形成。确实，如附图11和附图12所示，步骤25可随后包括第一阶段24，所述第一阶段用于氧化基体41的整个顶部(即当掩摸由氧化硅制成时是掩模43)，以及蚀刻体51的壁，以在掩模43上形成增加的厚度，在斜壁46、竖直壁47和蚀刻体51的底部形成厚度，从而形成保护性氧化硅层52，如附图11所示。

第二阶段26可随后包括定向蚀刻保护层52，从而选择性地从掩模43的一部分以及从保护层52仅在蚀刻体51底部上的整个部分除去水平氧化硅表面，如附图12所示。

根据第二实施例的方法11可随后继之以步骤27，即在同一蚀刻腔室内，在基体41的剩余厚度中，从在步骤19中形成的没有任何保护层52的蚀刻体51的底部，蚀刻出第二预先确定的斜壁48，从而形成微机械部件的下斜面。

倾斜蚀刻步骤27如同步骤17一样，并非上文描述的像步骤19一样的“博世”深反应离子蚀刻。因此，结合保护层52，步骤27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。实际上，普遍认为，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。

因此，如附图13和附图15所示，有利地，根据本发明，步骤27是通过在蚀刻腔室内混合SF₆蚀刻气体和C₄F₈钝化气体从而形成第二斜壁48来实现的。更具体地，优选地，持续的SF₆蚀刻和C₄F₈钝化气流被脉冲化以增强逐渐形成的空腔的底层处的蚀刻。

因此可理解，步骤27允许了大得多的开角(典型地，在附图13的范例中约45度)，替代了采用具有最优化参数调整的“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27可由此给出精确的开角而无需调整斜壁46和竖直壁47的表面。在竖直壁47和斜壁48之间的角度是可高度复制的，并可有利地构成为大体0°和大体45°之间。如上文所解释的，尤其是以大于10°的角度蚀刻的可能性使其相较于“博世”深反应蚀刻不同寻常。优选地，根据本发明的、在竖直壁47和斜壁48之间的角度大于10°且小于45°，更优选地，大于20°且小于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13中壁48的形状，可例如应用相对于附图6的逆向次序。该次序可因而包括SF₆流与C₄F₈流混合第一持续时间的第一阶段，继之以增加的SF₆流与减少的C₄F₈流混合第二持续时间的第二阶段，随后再次第一和第二阶段，以此类推。

因此可注意到，持续的气流脉冲增强了逐渐形成的空腔的底层处的蚀刻，这会在步骤27中随其深度逐渐拓宽蚀刻体53的可能开口，附带地，在上层40的下部中拓宽了更宽的蚀刻开口53，直至获得了蚀刻开口53，所述蚀刻开口宽于掩模43中的孔45、且宽于在步骤27开始时的蚀刻体51的底部截面(如在附图13中可见)，而无需修整之前完成的蚀刻体51。

第二实施例像第一实施例一样以步骤21告终，即从基体41的层40以及从掩模43脱出微机械部件。更具体地，在附图14和附图15所示的范例中，步骤21可包括脱氧阶段21以除去氧化硅掩模43、保护层52、以及可能地，所有或部分的中间氧化硅层42(如附图13所示)，以及随后在例如选择性化学蚀刻的协助下从基体41的脱出阶段23，如附图14所示。

在附图18中以单线和双线示出的方法11的第二实施例除去了大体直角的边缘，以在同一基体41上形成一个或多个微机械部件，所述边缘在基体41的层40的所蚀刻的竖直外壁和/或内壁、以及上和下水平面之间。

还可看到，步骤17和27的倾斜蚀刻允许了可观的更大开角以及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以及在步骤19中以优化的竖直蚀刻参数采用“博世”深反应离子蚀刻。

有利地，根据本发明，在附图16的范例中形成了擒纵器的微机械部件101通过提供精细得多的美学光洁度而具有可观的美学改进。确实，相较于附图4，微机械部件101在上表面104和下表面108上的精细特质立即显现了。

如在附图8和附图14中更清晰可见，微机械部件101因此包括硅基主体103，所述主体的竖直外壁105经由上斜面106邻接水平上表面104，并经由下斜面109邻接水平下表面108。

因此应理解，大体直线的上和下斜面106、109尤其是通过减少大体直角的边缘剥落的可能性，而提供了改进的机械强度，所述大体直角的边缘分别在微机械部件101的竖直外壁和/或内壁105以及上和/或下水平面104、108之间。

还可清楚，竖直外壁105提供了减少的接触面，这提供了与其它部件摩擦接触方面的改进，或沿微机械部件的内壁插入元件方面的改进。

最后，有上和下斜面106、109的结果是，竖直外壁和/或内壁105的凹陷部分更敞开，这使得能够增加用于容纳粘合剂或润滑剂的体积容量，如在附图16中所示的凹陷部分107的例子中，该凹陷部分用于容纳能够将擒纵叉瓦附接至擒纵器的材料。

根据本发明的第三实施例，方法11包括和第二实施例一样的步骤13至步骤27以及阶段22，并具有相同特征和技术效果。方法11的第三实施例还包括在附图18中以三重线示出的步骤。

因此，在使基体41脱氧的阶段22之后，根据第三实施例的方法11继之以步骤29，即用金属或合金填充空腔，从而提供至微机械部件的附接，所述空腔产生于微机械部件的蚀刻步骤17、19和27期间，由上斜面、外壁和下斜面构成，

在优选的范例中，基体41的下层44是高度掺杂的，并用作直接或非直接基底以供通过电镀填充。因此，步骤29可包括第一阶段30，即在掩模43顶部和部分的蚀刻体53内形成模子(例如由光敏树脂制成)。第二阶段32可包括从下层44、至少在微机械硅基部件和在蚀刻体53内形成的部分模子之间电镀金属部分112。最后，第三阶段34可包括除去在阶段30形成的模子。

第三实施例以阶段23告终，即从基体41通过选择性化学蚀刻脱出复合微机械部件。

在附图18中以单线、双线和三重线示出的方法11的第三实施例，除去了大体直角的边缘，以在同一基体41上形成一个或多个复合硅基和金属的微机械部件111，所述大体直角的边缘分别在基体41的竖直外壁和/或内壁，以及上和下水平面之间。

还可看到，步骤17和步骤27的倾斜蚀刻允许了可观的更大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以及在步骤19中以优化的竖直蚀刻参数采用“博世”深反应离子蚀刻。

有利地，根据本发明，能够如附图16的范例那样形成擒纵器的复合微机械部件，通过提供更为精细的光洁度而具有可观的美学改进。确实，相较于附图4，复合微机械部件111在上表面104和下表面108上的精细特质立即显现了。

如在附图17中更为清晰地示出，复合微机械部件111因此包括硅基主体103，所述主体的竖直外壁105经由上斜面106邻接水平上表面104，并且经由下斜面109邻接水平下表面108。

因此可理解，大体直线的上和下斜面106、109特别是通过减少大体直角的边缘剥落的可能性，而提供了改进的机械强度，所述大体直角的边缘分别在复合微机械部件111的竖直外壁和/或内壁105以及上和/或下水平面104、108之间。

还可清楚，竖直外壁105提供了减少的接触面，这提供了与其它部件摩擦接触方面的改进。此外，有上和下斜面106、109的结果是，竖直外壁和/或内壁105的凹陷部分更为敞开，这使得能够增加用于容纳金属或合金部分的体积容量，例如附图16所示的凹陷部分107，可在电镀步骤29期间填充所述凹陷部分。因此可理解，由于斜面106、109和凹陷部分107的形状，电沉积将不能除去，并将更具有高剪切阻力。

最后，形成了内壁的至少一个空腔110至少部分地填充了金属或合金112以提供至复合微机械部件111的附接。因此，在附图17的范例中，空腔110可留下圆柱形凹陷113，当金属或合金部分112在斜面106、109和可能的凹陷部分107的形状的协助下扩张时，所述圆柱形凹陷允许了复合微机械部件111以非常好的机械强度被驱动至例如心轴的元件上。

当然，本发明不限于所示范例，而能够有对本领域人员显而易见的各种变型和改型。特别是可分别在步骤19和步骤21之间，或步骤27和步骤21之间执行用于平滑硅质壁的氧化步骤20、28。

此外，金属或合金部分112甚至可在步骤29中覆盖蚀刻体53以形成复合微机械部件111的额外的功能层，所述复合微机械部件111可仅由金属或合金形成。

最后，微机械部件101或复合微机械部件111不限于附图16所示的擒纵器的应用。因此，微机械部件101或复合微机械部件111可形成钟表的运动或外部部件中的所有或部分的元件。

通过非限制性范例，微机械部件101或复合微机械部件111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。