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TW201716315A - 具縮減接觸表面的微機械構件及其製造方法 - Google Patents

具縮減接觸表面的微機械構件及其製造方法 Download PDF

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Abstract

本發明係關於一種以矽為主之具有至少一縮減的接觸表面的構件，它是用一種結合至少一斜的側壁蝕刻步驟和垂直側壁的“Bosch”蝕刻的方法來形成，它尤其改善了用微機械加工一以矽為主的晶圓所形成的構件的摩潤性(tribology)。

Description

具縮減接觸表面的微機械構件及其製造方法
本發明係有關於一種具縮減的接觸表面的微機械構件及其製造方法。更具體地，本發明係關於藉由微機械加工一材料的晶圓而製造的構件。
專利案CH 698837號揭露一種藉由微機械加工一非晶形材料或結晶形材料(譬如，結晶形矽或非晶形矽)的晶圓來製造一時計構件的製造。
此微機械加工大致上係藉由深反應性離子蝕刻(亦以縮寫“DRIE”來表示)來獲得。如圖1至3所示，一已知的微機械加工方法包含建構一遮罩1於一基材3上(參見圖1的步驟A)，其後接著一“Bosch”深反應性離子蝕刻，其連續地結合一蝕刻階段(參見圖1的步驟B、D、E)及接在其後的一鈍態化階段(passivation phase)(參見圖1的步驟C，層4)，用以從該遮罩1的圖案獲得一非等方向性的(即，實質垂直的)蝕刻開口5 於該晶圓中(參見圖2)。
如圖3所示，“Bosch”深反應性離子蝕刻的一個例子被顯示，其中用來蝕刻矽晶圓的SF6的流量(sccm)(其為時間(以秒為單位)的函數)係以實線標示，及用於該矽晶圓的鈍態化(即，保護)的C4F8(sccm)(其為時間(以秒為單位)的函數)係以點線標示。因此，可以清楚地看出來的是，該等階段是絕對地連續的且每一階段有一特定的流量及時間。
在圖3的例子中，一第一蝕刻階段G1被示出(其以300sccm的SF6流量持續7秒)，之後接著一第一鈍態化階段P1(其以200sccm的C4F8流量持續2秒)，之後接著一第二蝕刻階段G2(其再次地以300sccm的SF6流量持續7秒)，之後接著一第二鈍態化階段P2(其再次地以200sccm的C4F8流量持續2秒)，依此繼續下去。因此被注意的是，一特定的參數數量讓該“Bosch”深反應性離子蝕刻處理可被改變以獲得或多或少被標記的扇形(scalloping)於垂直的蝕刻開口5的壁內。
在製造的數年之後，發現這些垂直的蝕刻開口5並不完全令人滿意，尤其是在摩潤性(tribology)方面。
本發明的目的是要藉由提出一種可改善用微機械加工一材料的晶圓所製造的構件的摩潤性 (tribology)之新的微機械加工的構件及一種新的製造方法來克服所有或部分上面提到的缺點。
因此，本發明係關於一種製造以矽為主的微機械構件的方法，其包括下面的步驟：a)取得一以矽為主的基材；b)形成一帶有刺穿的孔的遮罩於該基材的水平部分上；c)在一蝕刻室中，經由該遮罩的孔在該基材的一部分的厚度中蝕刻出實質垂直的壁，用以形成該微機械構件的周壁；d)形成一保護層於該垂直的壁上，讓步驟c)中製造的該蝕刻開口的底部保持著沒有任何保護層；e)在該蝕刻室中，從沒有該保護層的該底部將被預定的斜的壁蝕刻至該基材的其餘的厚度中，用以在該微機械構件的該等周壁底下形成斜的下表面；f)將該微機構構件從該遮罩和該基材釋放出來。
被瞭解的是，兩種不同的蝕刻在同一蝕刻室內被獲得。很清楚的是，步驟e)的斜的蝕刻可形成實質斜的第二表面並形成數個微機械構件於同一基材上，其具有一縮減的接觸表面的周壁。亦可被觀察到的是，將保護層只設置在垂直壁上的結果是，步驟e)的斜的蝕刻可允許一大很多的開放角度以及一實質直線的蝕刻方向，這可避免掉受限於Bosch深反應性離子蝕刻的參數，該Bosch深反應性離子蝕刻被使用於步驟c)中且其參數為了垂直 蝕刻而被最適化。
依據本發明的其它有利的變化型：- 步驟c)係藉由改變在該蝕刻室內的蝕刻氣體流量及鈍態氣體流量來達成，用以形成實質垂直的壁；- 步驟d)包括階段d1)：將步驟c)中獲得的蝕刻開口氧化以形成該氧化矽保護層；及階段d2)：直接蝕刻保護層以選擇性地只去除掉在步驟c)中所製造的蝕刻開口的底部的保護層部分；- 步驟e)是藉由將該蝕刻氣體和該鈍化氣體在該蝕刻室內混合來達成以形成該等斜的壁；- 在步驟e)中，該連續的蝕刻及鈍態氣體流量被暫停以強化該凹穴底部的蝕刻開口。
再者，本發明係關於一種用依據前述變化型的任一者的方法所獲得的微機械構件，其特徵在於該構件包括一以矽為主的本體，其周壁包括一第一實質垂直的表面和一第二斜的表面，藉以減小該周壁的接觸表面。
有利地依據本發明，應被理解的是，該微機械構件的該周壁或內垂直表面提供一縮減的接觸表面，或者，當沿著該微機械構件的一內壁插入一元件時可提供一與另一構件接觸的改良的磨潤性。
依據本發明的其它有利的變化型：- 該微機械構件進一步包括至少一包含一內壁的凹 穴，該內壁亦包括一第一實質垂直的表面和一第二實質斜的表面；- 該微機械構件形成該機芯(movement)內的一元件的全部或一部分或一時計的外部部件。
11‧‧‧方法
31‧‧‧基材
33‧‧‧遮罩
35‧‧‧被刺穿的孔
36‧‧‧實質垂直的壁
42‧‧‧保護層
39‧‧‧蝕刻開口
38‧‧‧底部
37‧‧‧斜的壁
41‧‧‧蝕刻開口
32‧‧‧中間的矽氧化物層
51‧‧‧微機械構件
53‧‧‧水平的上表面
55‧‧‧水平的下表面
56‧‧‧第一實質垂直的表面
57‧‧‧第二斜的表面
54‧‧‧周壁
60‧‧‧孔
59‧‧‧軸套
34‧‧‧下層
62‧‧‧圓筒形凹部
30‧‧‧上矽層
34‧‧‧下矽層
其它特徵及好處從下面參考附圖的非限制性示例的描述中將變得明顯，其中：圖1至3是打算要說明被使用於本發明的範圍內的“Bosch”深反應性離子蝕刻處理的圖式；圖4至10是依據本發明之用來製造微機械構件的方法的步驟的圖式；圖11是依據本發明的微機械構件的圖式；圖12是依據本發明的製造方法的流程圖。
本發明係關於一種用來製造以矽為主的微機械構件的方法11。如圖12所示，方法11包括取得一以矽為主的基材的第一步驟13。
“以矽為主(silicon-based)”一詞係指一種材料，其包括單晶矽、經過摻雜的單晶矽、多經矽、經過摻雜的多晶矽、多孔性矽、矽氧化物、石英、二氧化矽、矽氮化物或矽碳化物。當然，當以矽為主的材料是晶相時，任何結晶取向都被使用。
典型地，如圖4所示，該以矽為主的基材31可以是一絕緣層覆矽(silicon-on-insulator)基材(其亦以“SOI”的縮寫來表示)，其包含一上矽層30和一下矽層34，它們透過一中間矽氧化物層32而結合。然而，或者，該基材可包含一矽層，其被加到另一種類型的基底上，譬如，例如，一金屬基底上。
該方法前進至形成一遮罩33於基材31的水平部分上的步驟15，該遮罩被穿刺了孔35。在圖4的例子中，遮罩33被形成在該上矽層30的上部上。遮罩33是用能夠承受方法11的未來的蝕刻步驟的材料所製成。因此，遮罩33可用矽氮化物或矽氧化物來製造。在圖4的例子中，遮罩33是用矽氧化物來製造。
有利地依據本發明，方法11前進至步驟17，其在蝕刻室內經由該遮罩33上被穿刺的孔35將實質垂直的壁36蝕刻在基材31的至少一部分厚度內，用以形成微機械構件的周壁或內壁。
該實質垂直的蝕刻步驟17典型地是描述於上文中的“Bosch”深反應性離子蝕刻(即，一蝕刻氣體和一鈍態化氣體交替於一蝕刻室內)用以形成實質垂直的壁36。
更具體地，步驟17允許一相對於遮罩33的實質垂直的蝕刻方向，如圖5中所見。如此獲得的蝕刻開口39，如圖5中所見，實質上是一直角的四邊形的形式。當然，在該蝕刻期間被去除掉的空間的形狀會隨著孔 35的形狀而改變。因此，一圓的孔將會產生一圓柱形的蝕刻開口，及一方形孔會產生立方體或平行六面體的蝕刻開口。
方法11前進至形成一保護層42於垂直的壁36上，而保持蝕刻開口39的底部38沒有任何保護層的步驟19，如圖7中所見。
較佳地，保護層42是用矽氧化物形成。更具體地，如圖6及7中所見，步驟19可包含一第一階段18，其打算要將基材31的整個上部，即遮罩33(如果該遮罩設用矽氧化物形成的話)、壁36及底部38(它們是由蝕刻開口39形成)氧化，用以形成一額外的厚度於該遮罩33上及一額外的厚度於該蝕刻開口39的垂直的壁36和底部38上，用以形成一矽氧化物的保護層42。
該第二階段20在於方向性地蝕刻保護層42，用以選擇性地從一部分的遮罩33和只從蝕刻開口39的底部38上的整個保護層42去除掉水平的矽氧化物表面，如圖7中所見。
方法11然後可前進至步驟21，其在同一蝕刻室內根據預定的斜的壁37，從沒有保護層42的底部38蝕刻至基材31的剩餘的厚度內，用以形成在該微機械構件的周壁底下的斜的下表面。
斜的蝕刻步驟21並不是上文所述的“Bosch”深反應性離子蝕刻。保護層42的結果是，步驟21允許一更為開放的角度和一實質直線的蝕刻方向，這 可避免受限於“Bosch”深反應性離子蝕刻的參數。通常被認為，即使藉由改變“Bosch”深反應性離子蝕刻的參數，開放角度仍無法超過10度且有一彎曲的蝕刻方向。
有利地依據本發明，步驟21較佳地是藉由在該蝕刻室內將SF6的蝕刻氣體和C4F8的鈍態化氣體混合來達成，用以形成斜的壁37。更具體地，連續的SF6蝕刻氣體流和C4F8鈍態化氣體流被暫停以強化在該凹穴底部的蝕刻。
因而被理解的是，步驟21允許一更為開放的角度(在圖8的例子中典型地約45度)，而不是使用經最佳化的參數修改的“Bosch”深反應性離子蝕刻所獲得之最大為10度的開放角度。有利地依據本發明，步驟21因而可給予一精確的開放角度而無須改變垂直的壁36的表面。介於垂直的壁36和斜的壁37之間的角度是高度可再現的且可有利地介於實質0°和實質45°之間。如上面說明的，相較於“Bosch”深反應性離子蝕刻，能夠以大於10°的角度蝕刻的可能性是特別了不起的。較佳地，依據本發明之介於垂直的壁36和斜的壁37之間的角度係大於10°且小於45°，更佳的是，大於20°且小於40°。
此外，該連續的氣流脈動允許改良的蝕刻方向性，且甚至可提供實質截頭圓錐形的壁而不是例如只使用SF6氣體的濕蝕刻或乾蝕刻時的球形壁(有時被稱為等方向性蝕刻)。
為了要獲得圖8中壁37的形狀，例如可施加 一程序，其可包括一第一階段(其包含一混合了C4F8氣流的SF6氣流持續一第一時間長度)，其後接著一第二階段(其包含一混合了減小的C4F8氣流之增加的SF6氣流持續一第二時間長度)，然後重復第一及第二階段，等等。
舉例而言，此程序可包括一具有混合了150sccm的C4F8氣流之500sccm的SF6氣流且持續1.2秒的第一階段，其後接著一具有混合了100sccm的C4F8氣流之600sccm的SF6氣流且持續0.8秒的第二階段，其後接著一具有混合了150sccm的C4F8氣流之500sccm的SF6氣流且持續1.2秒的第三階段，且其後接著一具有混合了100sccm的C4F8氣流之600sccm的SF6氣流且持續0.8秒的第四階段，等等。
因此應指出的是，該連續的氣流脈動強化在該凹穴的底部高度的蝕刻，這將在步驟21期間隨著其深度而逐漸地加寬蝕刻開口41的可能的開放角度，並附帶地，一在該上層30的下部中一更寬的蝕刻開口41，直到獲得一蝕刻開口41，其比在該遮罩33內的孔35還寬或比在步驟21開始時的蝕刻開口39的底部38的區段還寬，如圖7至圖8中可看出來的改變。
最終，方法11在從基材31和遮罩33釋放出該微機械構件的步驟23結束。更具體地，在圖9及12所示的例子中，步驟23可包括一去氧化階段(deoxidation phase)24以去除此矽氧化物的遮罩33以及所有的或部分 的中間矽氧化物層32，然後在例如一選擇性的化學蝕刻的協助下從基材31釋出的釋出階段25。
圖12中以單線示出的方法11允許在同一蝕刻室內進行兩種不同的蝕刻。亦可被觀察到的是，步驟21的蝕刻允許一大很多的開放角度及一蝕質直線的蝕刻方向，這可避免受限於“Bosch”深反應性離子蝕刻的參數以及避免在步驟17中以最佳化的垂直蝕刻參數使用“Bosch”深反應性離子蝕刻。
有利地依據本發明，形成圖11的輪子例子的微機械構件51包含一形成一齒(toothing)的周壁54，其包括一縮減的接觸表面。
如在圖10更清楚地顯示的(它是構件51的一部分的放大圖式)，微機械構件51包括一以矽為主的本體61，它的周壁54形成一水平的上表面53和一水平的下表面55的端界且包括一第一實質垂直的表面56和一第二斜的表面57。
很清楚的是，該第二斜的、實質直的表面57提供形成一齒的周壁54一縮減的接觸表面，其允許與另一構件之間有改良的磨潤接觸。亦很清楚的是，孔60的內壁亦可更容易接納一元件。
當然，本發明並不侷限於被示出的例子，而是可以有各式的變化形及修改，這些對於熟習此技藝者而言都是顯而易見的。尤其是，一打算要用來讓矽壁平滑的氧化步驟22可在步驟21和23之間被實施。
此外，一金屬或金屬合金部件可在一介於階段24和25之間的非必要步驟中被沉積在該蝕刻開口41中，用以形成一軸套59於該微機械構件51的孔60內，如圖11所示。
此金屬或金屬合金部件甚至可重疊在蝕刻開口41之上，用以形成複合的微機械構件51的一只由金屬形成的額外的功能性層。
因此，在將基材31去氧化的步驟24之後，方法11可前進至一用金屬或金屬合金來選擇性地填充一在蝕刻步驟17和21期間所形成的凹穴的步驟，用以提供該微機械構件的一附裝件。
舉例而言，基材31的下層34可以是被高度摻雜的且被用作為用於電鍍填充的直接或間接的基礎。因此，一第一階段可以是打算要用來形成一模子(例如，用光敏樹脂形成的模子)於遮罩33的頂部且在該蝕刻開口41的一部分中。一第二階段可以是從下層34電鍍一金屬部件，至少介於該微機械矽構件和該形成在該蝕刻開口41內的模子的一部分之間。最後，一第三階段可以是去除掉在該第一階段中所形成的該模子。該方法可結束於藉由選擇性的化學蝕刻將該複合的微機械構件從基材31釋放出來的階段25。
有利地依據本發明，被瞭解的是，電流沉積物59因為第一實質垂直的表面56和第二斜的表面57的形狀的關係而比一實質上垂直的表面更難被去除掉並具有 更好的抗剪力(shearing resistance)。
此外，該至少一孔60(其至少被部分地填充一金屬或金屬合金59)可提供該複合式微機械構件51的一附裝件。因此，在圖11的例子中，孔60可留下一圓筒形凹部62，以允許該複合式微機械構件51在該金屬或金屬合金部件59因為周壁54的形狀的關係而膨脹時以良好的機械強度被安裝在一心軸(arbor)上。
最後，微機械構件51並不侷限於圖11中所見的輪片。因此，微機械構件可形成為機芯(movement)內的元件的全部或一部分或時計的外部部件。
非限制性的舉例而言，微機械構件51因而可形成游絲發條、衝擊銷(impulse pin)、擺輪(balance wheel)、心軸、輥、擒縱叉(pallet)，譬如擒縱叉軸(pallet-staff)、擒縱叉桿(pallet-lever)、擒縱叉頭(pallet-fork)、擒縱叉石(pallet-stone)或護銷(guard pin)、輪組，譬如輪片、心軸或小齒輪、棒桿、盤、自動盤(oscillating weight)、上鍊柄軸、軸承、錶殼，譬如錶殼中段(case middle)或操縱桿(horn)、錶盤、卡圈(flange)、外圈(bezel)、推件、錶冠(crown)、錶殼背蓋、指針、錶鏈，譬如鏈環、裝飾物、貼花(applique)、水晶、扣環、錶盤固定銷、設定軸桿或推件軸。
51‧‧‧微機械構件
53‧‧‧水平的上表面
54‧‧‧周壁
55‧‧‧水平的下表面
56‧‧‧第一實質垂直的表面
57‧‧‧第二斜的表面
59‧‧‧軸套
60‧‧‧孔
62‧‧‧圓筒形凹部

Claims (8)

  1. 一種製造以矽為主的微機械構件(51)的方法，其包含下面的步驟：a)取得一以矽為主的基材(30)；b)形成一帶有刺穿的孔(35)的遮罩(33)於該基材(30)的水平部分上；c)在一蝕刻室中，經由該遮罩(33)的孔(35)在該基材(30)的一部分的厚度中蝕刻出實質垂直的壁(36)，用以形成該微機械構件(51)的周壁(56)；d)形成一保護層(42)於該垂直的壁(36)上，讓步驟c)中製造的蝕刻開口(39)的底部(38)保持沒有任何保護層；e)在該蝕刻室中，從沒有該保護層的該底部(38)將被預定的斜的壁(37)蝕刻至該基材(30)的其餘的厚度中，用以在該微機械構件(51)的該周壁(56)底下形成斜的下表面(57)；f)將該微機構構件(51)從該遮罩(33)和該基材(30)釋放出來。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該步驟c)係藉由改變在該蝕刻室內的蝕刻氣體流量及鈍態氣體流量來達成，用以形成該實質垂直的壁(36)。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該步驟d)包含下面的階段：d1)將步驟c)中獲得的蝕刻開口(39)氧化以形成 該矽氧化物保護層(42)；及d2)直接蝕刻該保護層(42)以選擇性地只去除掉在步驟c)中所製造的該蝕刻開口(39)的底部(38)上的保護層(42)部分。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該步驟e)是藉由將該蝕刻氣體和該鈍化氣體在該蝕刻室內混合來達成以形成該斜的壁(37)。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中在該步驟e)中，該連續的蝕刻及鈍態氣體流被暫停以強化該蝕刻開口(39)的底部的蝕刻。
  6. 一種用如申請專利範圍第1項的方法所獲得的微機械構件(51)，其特徵在於該微機械構件包含一以矽為主的本體(61)，其周壁(54)包括一第一實質垂直的表面(56)和一第二斜的表面(57)，藉以減小該周壁(54)的接觸表面。
  7. 如申請專利範圍第6項之微機械構件(51)，其中該微機械構件進一步包含至少一孔(60)，其包含一內壁，該內壁亦包括一第一實質垂直的表面(56)和一第二實質斜的表面(37)。
  8. 如申請專利範圍第6或7項之微機械構件(51)，其中該微機械構件(51)形成機芯(movement)內的一元件的全部或一部分或一時計的外部部件。
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