复合微机械部件及其制造方法

专利名称：复合微机械部件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种复合微机械部件及其制造方法，该复合微机械部件的至少一个表 面具有低的摩擦系数。
背景技术：
欧洲专利No. 2 060 534公开了通过使用光敏树脂，硅蚀刻和电镀生长的光刻获 得的制造硅-金属复合微机械部件的方法。但是，此方法难以在金属部分的多个级上实施， 并且必须提供最终的涂覆步骤以改进硅的摩擦学特性。此外，这类方法不适合于具有大的长度直径比的微机械部件，在这种部件中，像具 有例如12%磷的镍-磷材料易于脱落。这种类型的部件的电镀沉积由于所沉积的镍-磷的 内部应力而分层。

发明内容
本发明的一个目的是通过提出一种复合微机械部件和一种制造这种部件并包括 较少步骤的方法来克服上述全部或部分缺点，该复合微机械部件的有用部分涂覆有比所使 用的可微加工的材料更好的摩擦学材料。因此，本发明涉及一种制造复合微机械部件的方法，所述方法包括以下步骤a)提供基材(基板)，该基材包括水平的顶层和水平的底层，所述顶层和底层由导 电的可微加工材料制成，并通过电绝缘的水平的中间层彼此紧固；b)在顶层中蚀刻至少一个图案直至达到中间层，以便在基材内形成至少一个腔 室，该腔室将形成复合部件的至少一个由可微加工的材料制成的部分；c)在所述基材的顶部涂覆电绝缘的涂层；d)有方向性地蚀刻该涂层和该中间层，以将该涂层限制为只存在于在所述顶层内 形成的各垂直壁上；e)通过将电极与所述基材的导电的底层连接进行电沉积，以形成复合部件的至少 一个金属部分；f)从所述基材释放所述复合部件。因此，有利地根据本发明，摩擦学上优于可微加工材料的层的沉积完全集成在了 该制造方法中，并且该沉积不是在所述部件的制造之后进行的。根据本发明的其它有利特征_在步骤d)之后，在顶层上方装配一个部分以形成至少一个凹部，该凹部与所述 至少一个腔室连通，以便形成所述部件的第二级(层面，水平面，level)；_在步骤e)之前，所述方法包括步骤g)在所述至少一个腔室内装配销，以便在将 来的复合部件内形成孔；-步骤b)包括阶段h)在导电的顶层上构造至少一个保护掩膜，阶段i)在未被 所述至少一个保护掩膜保护的部分上对顶层进行各向异性蚀刻，以及阶段j)移走所述至少一个保护掩膜；_在步骤e)之前，所述方法包括步骤g)在所述至少一个腔室内装配销，以便在将 来的复合部件内形成孔；_在步骤f)之前，所述方法包括步骤b’ )在底层中蚀刻图案直至到达所述金属 部分，以便在所述基材内形成至少一个第二腔室，步骤C’ )在所述基材的底部涂覆电绝缘 的第二涂层，以及步骤e’ )通过将电极与基材的导电的底层连接进行电沉积，以便完成所 述部件的金属部分的形成；_在步骤C’ )之后，所述方法包括步骤d’ )有方向性地蚀刻所述第二涂层，以便 仅暴露底层的底部；_在步骤d’)之后装配一个部分(部件)，以便形成与所述至少一个第二腔室连通 的至少一个凹部，从而为所述部件提供第二附加级；_在步骤e’)之前，所述方法包括步骤g’)在底层的所述至少一个第二腔室内装 配销，以便在将来的复合部件内形成孔；-步骤b’)包括阶段h’ )在导电的底层上构造至少一个保护掩膜，阶段i’ )在 未被所述至少一个保护掩膜保护的部分内对所述底层进行各向异性蚀刻，以及阶段j’ ) 移走保护掩膜；-在相同的基材上制造若干复合微机械部件；-导电层包括掺杂的硅基材料。本发明还涉及包括水平的硅部分的复合微机械部件，所述硅部分包括容纳金属部 分的孔，所述复合微机械部件的特征在于，该硅部分由掺杂的硅形成，并且包括至少一个用 于传递机械力的垂直部分，该垂直部分用二氧化硅涂覆以改进所述掺杂的硅的摩擦学特 性。此部件可有利地用于通过其涂布二氧化硅的硅部分传递力，例如，通过在金属部分中被 驱动。根据本发明的其它有利的特征-金属部分包括从所述硅部分突出的部分，其目的是在硅部分上方形成唯一的金 属级；-所述硅部分通过二氧化硅层与第二硅部分配合(接合)；-第二硅部分由掺杂的硅形成，并且具有垂直的二氧化硅壁，以改进所述掺杂的硅 的摩擦学特性；-第二硅部分包括至少一个用于容纳第二金属部分的孔；-所述第二金属部分包括从所述第二硅部分突出的部分，其目的是在第二硅部分 之下形成唯一的金属级；-各金属部分包括用于依靠枢轴驱动所述部件的孔。最后，本发明还涉及一种钟表，该钟表包括根据前述变型之一的复合微机械部件， 其中，至少一个硅部分形成轮子或擒纵叉(escapement pallet)。


通过下文以非限制性示例方式给出的详细的描述并参考附图，其他特征和优点将 非常清楚，在附图中
5
图1到图6是根据本发明第一实施例的制造微机械部件的方法的连续的步骤的示 意图；图7是根据本发明第一实施例的微机械部件；图8到图13是根据本发明第二实施例的制造微机械部件的方法的连续的步骤的 示意图；图14是根据本发明的制造微机械部件的方法的流程图。
具体实施例方式如图14所示，本发明涉及制造复合微机械部件41、41’的方法1。优选地，方法1 包括准备方法3，在准备方法3之后是电铸(galvanoplasty)步骤5和释放由此形成的复合 部件41、41，的步骤7。准备方法3包括用于准备基材9、9’的一系列步骤，所述基材至少部分地由可微加 工的材料制成，所述可微加工的材料例如优选硅基材料。准备方法3用于电镀沉积步骤5 的接收和生长。方法3的第一步骤10在于获取基材9，该基材9包括顶层21和底层23，所述顶层 和底层由导电的可微加工的材料制成，并且通过电绝缘的中间层22彼此紧固，如图1所示。优选地，基材9是绝缘体上硅(SOI)。因此，中间层22优选地由二氧化硅制成。另 外，顶层21和底层23由结晶硅制成，所述顶层和底层充分掺杂以便导电。根据本发明，方法3包括第二步骤11，该第二步骤在于在导电的顶层21上构造至 少一个保护掩膜24，如图1所示。图1还示出，掩膜24具有至少一个未覆盖顶层21的图案 26。该掩膜24可例如通过使用正片或负片光敏树脂的光刻获得。在第三步骤12中，蚀刻顶层21，直到中间层22暴露。根据本发明，蚀刻步骤12优 选地包括深反应离子蚀刻(DRIE)型各向异性的干蚀刻(dryetch)。该各向异性的蚀刻是根 据掩膜24的图案26在顶层21内进行的。在第四步骤14中，移走掩膜24。因此，如图2所见，在第四步骤14的最后，顶层 21在其整个厚度上被蚀刻有至少一个腔室25，因而形成至少一个最终复合部件41、41’的 硅部分。在第五步骤16中，沉积电绝缘涂层30，如图3所示，该涂层涂覆了基材9的整个上 部。优选地，涂层30通过氧化被蚀刻的顶层21和中间层22的上部获得。如图3所示，因 而获得了在顶层21和中间层22的上部以及顶层21的垂直壁51、52上的二氧化硅层。根据第六步骤18，在涂层30和中间层22上进行有方向性地蚀刻。步骤18用于将 绝缘层限制为只存在于在顶层21形成的每个垂直壁上，即壁51和52，所述壁分别作为将来 的复合部件41、41’和所述至少一个腔室25的外表面。根据本发明，在有方向性地或各向 异性地蚀刻期间，在反应离子类蚀刻反应器内，通过调整例如腔室压力(非常低压工作)来 使蚀刻现象的竖直分量优先于水平分量。这种蚀刻可例如是“离子磨削(ionmilling)”或 “溅击蚀刻(sputter etching)”。当执行步骤18后，如图4所示，很清楚地，腔室25的底面 由导电的底层23形成，并且基材9的顶部由顶层21形成，该顶层也是导电的。为了改进之后的步骤5的电铸的粘附，可以在各腔室25的底部上和/或在顶层21 的顶部上提供粘附层。粘附层可由例如CrAu合金的金属构成。
优选地，在第六步骤18中，还可装配销29，以便是在电铸步骤5中直接为复合微机 械部件形成心轴孔42、42’。这不仅意味着具有一旦电铸已经完成，部件41，41’就不再需要 机械加工的优点，还意味着具有在孔42、42’的整个顶部可以制成任何形状的、均勻或非均 勻的内截面的优点。销29优选地例如通过使用光敏树脂的光刻方法获得。在步骤18之后，准备方法3结束，并且制造复合微机械部件的方法1继续进行电 铸步骤5和释放该部件的步骤7。电铸步骤5通过连接沉积电极和底层23进行，其目的是在腔室25内生长电解沉 积物33。制造方法1以步骤7结束，在该步骤7中，由顶层21和沉积在腔室25内的金属部 分形成的部件从基材9的其余部分-即从底层23和销29-释放。根据此实施例，很清楚地， 所获得的微机械部件在其可包括心轴孔的整个厚度内具有一致形状的单个级。此微机械部件可以是例如擒纵轮、擒纵机构棘爪或者甚至是包括金属部分的齿 轮，在所述金属部分的心轴孔内允许所述微机械部件在其中被驱动。另外，硅部分的外壁 具有二氧化硅层，该二氧化硅层比硅部分21具有更有利的特征，其提供微米量级的几何精 度。根据该实施例的替代方案，如图14中的双线所示，在步骤18之后，准备方法3包 括额外的步骤20，该步骤20用于形成金属部分43、43’的至少第二级45、45’，如图5所示。 因此，第二级45，45’通过在步骤12中未被蚀刻的顶层21上安装具有电绝缘壁32的部分 27制成。优选地，该附加的部分27例如通过使用光敏树脂的光刻方法形成至少一个凹部 28，该凹部比根据图案26移除的部分具有更大的截面。但是，部分27还可包括被预先蚀刻 并之后附装到导电层21上的硅基材料。接下来，根据上面的实施例替代方案，在步骤20之后，准备方法3结束，并且制造 复合微机械部件41的方法1继续进行电铸步骤5和从基材9释放该部件的步骤7。电铸步骤5通过连接沉积电极和底层23进行，其目的是使电解沉积物首先在腔室 25内生长，然后仅在凹部28中生长，如图5所示。实际上，有利地根据本发明，当电解沉积物与腔室25的顶部齐平时，该电解沉积 物与顶层21 (或，有可能地，其粘附层)电连接，这使沉积物可在整个凹部28中均勻地水平 生长。因此，本发明提供了具有与顶层21厚度相同的第一金属部分43以及突出的第二金 属部分45的复合部件41。有利地，第二金属部分45可具有大的长度直径比，S卩，腔室25的截面可以比凹部 28的截面小很多。实际上，由于方法1，部分45的制造避免了任何脱落问题，即使具有沉积 的金属，该金属如含有例如12%磷的镍-磷。此有利的效果部分地归因于使用硅作为导电 层21，23 (并且可能地，它们的粘附层)-这降低了分界面处的分层现象。根据对上述实施例的替代方案，制造方法1以步骤7结束，在步骤7中，形成的部 件41被释放，即，取出部分27和销29，并且从基材9的层22、23中取出部件41。很清楚，如图6和7所示，获得的复合微机械部件41具有两级，每一级在完全独立 的厚度上具有不同的形状，并且可包括单个心轴孔42。第一级因而包括顶层21，该顶层的 垂直壁51、52涂有二氧化硅，并且内腔25容纳电镀沉积物的第一部分43。第二级仅由第二金属部分45形成，该第二级作为第一部分43的延长部分延伸，并从顶层21上突出。在图 6和7示出的示例中可以注意到，第二部分45也与顶层21部分重叠。如图6和7所示，微机械部件41可以因而具有与通过不具有步骤20的实施例获 得的微机械部件相同的第一级，并因而具有微米量级的几何精度，但也是理想的参考，即， 完全地位于两级之间。微机械部件从而能够形成包括齿轮2和诸如擒纵轮的小齿轮4的轮 系。根据本发明，获得的微机械部件不限制为轮系。在一种变型中，完全可以设想获得具有 单块擒纵叉瓦(托石，pallet stone)的擒纵叉2，该擒纵叉瓦涂覆有二氧化硅并包括叉钉 (dart)4。根据方法1的第二实施例(在图14中用双虚线示出)部分地代表已说明的实施 例的延续。如图8到13所示，还可对底层23应用方法3，以便向所述微机械部件上增加至 少一个或两个其它附加级。为避免附图过多，上面只详述了一个示例，但很清楚，底层23也 可以根据上面说明的具有或不具有替代选择的实施例进行变换。第二实施例的步骤直到步骤18或20都与上面描述的方法1相同或类似。在图8 到13所示的示例中，将具有如图5所示的替代性步骤20的实施例示例作为方法1的起始
点ο优选地，根据第二实施例，蚀刻底层23，以便形成至少一个第二腔室35。如优选在 图5和8之间可见的，在第一腔室25的一部分内已经形成沉积物33，以便为第二电铸提供 起始层。优选地，该沉积33通过开始步骤5执行直至达到预定厚度。但是，此沉积33也可 根据另外的方法进行。如图14中的双虚线和图8到13所示的，方法1的第二实施例对底层23应用上面 说明的方法3的第一实施例的步骤11、12、14、16和18。因此，根据第二实施例，方法3包括新的步骤11，该步骤11在于在基材9’的导电 底层23上构造至少一个掩膜34，如图9所示。仍如图9所示，掩膜34具有至少一个未覆盖 底层23的图案36和31。该掩膜34可例如通过使用光敏树脂的光刻获得。接下来，在新的步骤12中，根据图案36和31蚀刻层23，直至导电的沉积物33和 中间层22暴露出来。然后，在新的步骤14中移走保护掩膜34。因此，如图10所示，在步骤 14的最后，底层23在整个厚度上被蚀刻以形成至少一个腔室35和39。在新的步骤16中，沉积电绝缘涂层38，从而覆盖基材9’的整个底部，如图11所 示。优选地，通过在底层23的底部沉积二氧化硅获得涂层38，所述沉积例如使用气相沉积。优选地，在图8到13的示例中，新的步骤18仅用于移除存在于所述至少一个腔室 35的底部的氧化物层。但是，如果需要第二级，就在涂层38的所有水平部分进行有方向性 地蚀刻。然后，新的步骤18将用于限制绝缘层只存在于在底层23内形成的每个垂直壁53、 54上，即，将来的部件41，和所述至少一个腔室35的外壁上。 在新的步骤18中，如前说明，可装配销37，以便是在电铸步骤5中直接在微机械部 件41’内形成心轴孔42’，其具有与前述相同的优点。 在方法1的第二实施例中，在步骤18之后，准备方法3完成，并且制造复合微机械 部件的方法1继续进行电铸步骤5和释放复合部件41’的步骤7。优选地，如果在相应腔室 25和35中形成销29和37，则使它们对齐。另外，销37优选地通过使用光敏树脂的光刻方
法获得。
8
在新的步骤18(或20)之后，电铸步骤5通过连接沉积电极和底层23进行，以便是 在腔室35内生长电解沉积物，并且在腔室25内继续沉积物的生长，然后仅在凹部28中生 长，如图12所示。在如图12所示的示例的情况下，为了连接所述电极，因此例如可能蚀刻 一部分包含在顶层23之下的二氧化硅层38以使电极进入。也可设想直接联接沉积物33。根据第二实施例的制造方法1以步骤7结束，在步骤7中，部件41’被释放，即，部 件27和销29、37被移走，并且部件41’被从基材9’取出。根据此第二实施例，很清楚，如图13所示，所获得的复合微机械部件41’具有至少 三个级，每一级在完全独立的厚度上具有不同的形状，并且具有单一的心轴孔42’。第一级 因而包括顶层21，该顶层的内壁51、52用二氧化硅涂覆，并且内腔25容纳电镀沉积的第一 部分43’。第二级由第二金属部分45单独地形成，该第二金属部分作为第一部分43’的延 长部分延伸，并且作为从顶层21上突出的部分。最后，第三级由底层23形成，该第三级的 垂直壁53、54用二氧化硅涂布，并且内腔35容纳电镀沉积的第三部分47’。微机械部件41’可因此与通过具有步骤20的第一实施例获得的部件具有相同的 前两个级。此微机械部件41’可以例如是具有其小齿轮45’的同轴擒纵轮21-52，23-54或 者具有三层拥有微米量级几何精度的齿21-52、23-54、45’的轮系，但也是理想的参考，即， 完全地位于两级之间。当然，本发明不限制于所示出的示例，而是可以具有各种变型和修改，本领域的技 术人员将发现这些变型和修改。因此，可以在相同的基材9、9’上制造若干复合微机械部件 41、41，，以实现不必彼此一致的微机械部件41，41，的大规模生产。同样地，还可以设想将 硅基材料改变为结晶氧化铝或结晶石英或者硅的碳化物。还可以设想绝缘沉积物30和/ 或38可以具有不同的性质并且/或者可以通过上面说明的那些不同的方法沉积。
权利要求
制造复合微机械部件(41，41’)的方法(1)，包括如下步骤a)提供(10)基材(9，9’)，所述基材包括水平的顶层(21)和水平的底层(23)，该顶层和底层由导电的可微加工的材料制成，并通过电绝缘的水平的中间层(22)彼此附接；b)在顶层(21)中蚀刻至少一个图案(26)直至通到中间层(22)，以便在所述基材(9，9’)内形成至少一个腔室(25)，该腔室将形成复合部件的由可微加工的材料制成的至少一个部分(21，23)；c)在所述基材的顶部涂覆(16)电绝缘的涂层(30)；d)有方向性地蚀刻(18)所述涂层和所述中间层，以将该涂层限制为仅存在于形成在所述顶层(21)中的每个垂直壁(51，52)上；e)将电极与所述基材(9，9’)的导电的底层(23)连接以进行电沉积(5)，从而形成复合部件的至少一个金属部分(33，43，43’)；f)从所述基材(9，9’)释放复合部件(41，41’)。
2.如权利要求1所述的方法(1)，其特征在于，在步骤d)之后，在所述顶层(21)上安 装一个部分(27)以形成至少一个凹部(28)，该凹部与所述至少一个腔室连通，以形成所述 复合部件的第二级(45,45' ) ο
3.如权利要求1所述的方法(1)，其特征在于，在步骤e)之前，包括如下步骤g)在所述至少一个腔室内安装销(29)，以便在将来的复合部件(41，41’)内形成孔 (42,42')。
4.如权利要求1所述的方法(1)，其特征在于，步骤b)包括如下阶段h)在导电的顶层(21)上构造(11)至少一个保护掩膜(24)；i)在未被所述至少一个保护掩膜覆盖的部分(26)上对所述顶层进行各向异性蚀刻 (12)；j)移走(14)所述至少一个保护掩膜。
5.如权利要求1所述的方法(1)，其特征在于，在步骤f)之前，包括如下步骤b’)在底层(23)中蚀刻图案(36，31)直至通到所述金属部分(33，43，43’)，以便在所 述基材内形成至少一个第二腔室(35)；c’ )在所述基材的所述底部(23)涂覆电绝缘的第二涂层(38)；e’ )将电极与所述基材(9’ )的导电的底层(23)连接以进行电沉积，从而完成所述复 合部件的金属部分(33，43，，45，，47，)的形成。
6.如权利要求5所述的方法(1)，其特征在于，在步骤C’)之后，包括如下步骤d’ )有方向性地对所述第二涂层进行蚀刻(18)，以便仅暴露所述底层(23)的底部。
7.如权利要求6所述的方法(1)，其特征在于，在步骤d’)之后装配一个部分，以便形 成至少一个凹部，该凹部与所述至少一个第二腔室连通，从而为所述部件提供附加的第二 级。
8.如权利要求5所述的方法(1)，其特征在于，在步骤e’)之前包括如下步骤g’ )在所述底层(23)的所述至少一个第二腔室(35)内安装销(37)，以便在将来的复 合部件(41’ )内形成孔(42’)。
9.如权利要求5所述的方法(1)，其特征在于，步骤b’)包括如下阶段h’ )在导电的底层(23)上构造至少一个保护掩膜(34)；i’)在未被所述至少一个保护掩膜覆盖的部分(36，31)内对所述底层进行各向异性蚀刻；j，)移走保护掩膜(34)。
10.如权利要求1所述的方法(1)，其特征在于，在同一基材(9，9’)上制造多个复合微 机械部件(41,41' )o
11.如前述任一权利要求所述的方法(1)，其特征在于，导电的顶层(21)和底层(23) 包括掺杂的硅基材料。
12.复合微机械部件(41，41’)，包括水平的硅部分(21)，该硅部分包括容纳金属部分 (43，43’ )的孔(25)，其特征在于，该硅部分(21)由掺杂的硅形成，并且包括至少一个垂直 部分，该垂直部分用于传递机械力并且由二氧化硅涂布，以便改进所述掺杂的硅的摩擦学 特性。
13.如权利要求12所述的微机械部件，其特征在于，所述金属部分(43，43’)包括从所 述硅部分突出的部分(45，45’)，其目的是在硅部分(21)以上形成唯一的金属级。
14.如权利要求12所述的微机械部件，其特征在于，所述硅部分通过二氧化硅层(22) 与水平的第二硅部分(23)配合。
15.如权利要求14所述的微机械部件，其特征在于，第二硅部分(23)由掺杂的硅形成， 并且具有垂直的二氧化硅部分(53，54)以改进所述掺杂的硅的摩擦学特性。
16.如权利要求14所述的微机械部件，其特征在于，所述第二硅部分(23)包括至少一 个孔(35)，该孔容纳第二金属部分(47' ) ο
17.如权利要求16所述的微机械部件，其特征在于，所述第二金属部分包括从所述第 二硅部分突出的部分，其目的是在第二硅部分(23)以下形成唯一的金属级。
18.如权利要求12所述的微机械部件，其特征在于，各金属部分(43，43’，45，45’，47’) 均具有用于抵靠枢轴驱动所述部件的孔(42，42’)。
19.钟表，其特征在于，它包括至少一个根据权利要求12至18的任一项所述的复合微 机械部件。
20.如权利要求19所述的钟表，其特征在于，复合微机械部件的至少一个硅部分形成 擒纵轮。
21.如权利要求19所述的钟表，其特征在于，复合微机械部件的至少一个硅部分形成 擒纵叉。
全文摘要
本发明涉及制造复合微机械部件(41，41’)的方法(1)，包括如下步骤a)提供(10)基材(9，9’)，该基材包括由导电的可微加工材料制成的水平顶层(21)和水平底层(23)，顶层和底层通过电绝缘的水平中间层(22)彼此紧固；b)在顶层中蚀刻至少一种图案(26)直至中间层，以在基材内形成至少一个腔室(25)；c)在基材的顶部涂覆(16)电绝缘的涂层；d)有方向性地蚀刻(18)涂层和中间层，以将该涂层限制为只存在于在顶层形成的各垂直壁(51，52)上；e)通过将电极与基材的导电的底层连接进行电沉积(5)，以形成复合部件的至少一个金属部分(33，43，43’)；f)从基材释放复合部件。本发明涉及微机械部件领域，特别用于钟表机芯。
文档编号G04B15/14GK101920928SQ201010200250
公开日2010年12月22日 申请日期2010年6月9日 优先权日2009年6月9日
发明者J-P·蒂埃博, P·卡森 申请人:尼瓦洛克斯-法尔股份有限公司