專利名稱：用于制造由增強(qiáng)的硅制成的微機(jī)械部件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制備增強(qiáng)的由硅制成的微機(jī)械部件(piSces de micromecanique)的方法。它是制造硅制微機(jī)械部件的方法，其為所述部件提供提高的機(jī)械強(qiáng)度，特別地抗沖擊性，和優(yōu)良的摩擦性質(zhì)。本發(fā)明更具體地涉及這種用作適用于微機(jī)械部件(其被布置以與其它部件摩擦接觸、該微機(jī)械部件相對(duì)于這些其它部件運(yùn)動(dòng))的方法。這些微機(jī)械部件同樣可以是運(yùn)動(dòng)部件(如，例如繞軸旋轉(zhuǎn)部件)或固定部件(如，例如軸承)。 它例如是，作為非限制實(shí)例，用于機(jī)械鐘表運(yùn)動(dòng)的微機(jī)械部件。
背景技術(shù)：
硅是越來(lái)越多地用于制造機(jī)械部件，特別地微機(jī)械部件的材料，無(wú)論它們是否是“ 被固定的“部件，即，其與它們已經(jīng)在其上被加工的基材保持連接，或"自由“部件，如形成鐘表運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈一部分的部件。與通常用于制造微機(jī)械部件(如齒輪、鉸接部件或彈簧)的金屬或合金相比，硅具有以下優(yōu)點(diǎn)它具有低3-4倍的密度并因此具有非常降低的慣性和對(duì)磁場(chǎng)不敏感。這些優(yōu)點(diǎn)在鐘表領(lǐng)域內(nèi)在等時(shí)性和運(yùn)行持續(xù)時(shí)間方面都是特別有利的。然而，硅有根據(jù)地具有對(duì)沖擊靈敏的名聲，這在裝配期間可能是必需的，沖擊在運(yùn)行期間是不可避免的或偶然的，例如當(dāng)使用者碰撞或掉落該手表時(shí)。專利文獻(xiàn)W02007/000271提出用于改善硅制微機(jī)械部件的機(jī)械強(qiáng)度的方法。根據(jù)這種現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)，一旦該部件已經(jīng)在硅晶片中進(jìn)行微加工，其表面用二氧化硅層涂覆。這種層通過(guò)在900°C -1200°C的溫度下使該部件的表面熱氧化形成。測(cè)定熱氧化過(guò)程的持續(xù)時(shí)間以便獲得是天然二氧化硅的厚度至少五倍的二氧化硅的厚度。剛才描述的方法的一個(gè)缺點(diǎn)是二氧化硅明顯地提高了獲得的部件的摩擦系數(shù)。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，上述文獻(xiàn)提出在無(wú)定形二氧化硅上加入其它材料的涂料；必須對(duì)該其它材料進(jìn)行選擇(對(duì)于它的摩擦學(xué)性質(zhì))。這種技術(shù)方案，其在于在二氧化硅層之上加入附加涂層，具有使涂料層加倍的缺點(diǎn)。而且，某些涂料沒(méi)有很好地粘附到二氧化硅上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的因此是提供硅制微機(jī)械部件的制造方法，其為所述部件提供可與根據(jù)TO2007/000271的方法制備的部件相當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度，然而還為所述部件提供可與沒(méi)有用二氧化硅層涂覆的硅制部件相當(dāng)?shù)哪Σ翆W(xué)性質(zhì)。本發(fā)明因此涉及根據(jù)附帶權(quán)利要求1的由增強(qiáng)的硅制成的部件的制造方法。令人驚奇地，先驗(yàn)地所述實(shí)驗(yàn)顯示本發(fā)明的除去二氧化硅層的步驟對(duì)所述部件的機(jī)械性質(zhì)幾乎沒(méi)影響。換句話說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明制備的部件的機(jī)械強(qiáng)度與根據(jù)上述文獻(xiàn) W02007/000271的方法制備的部件幾乎相同。而且，根據(jù)本發(fā)明制備的部件的摩擦學(xué)性質(zhì)是顯著地更好的。在下文提出的假設(shè)本質(zhì)上都不具有限制性特征，但可以試圖進(jìn)行在下面的解釋。
首先，當(dāng)在該部件表面上形成二氧化硅層時(shí)，該二氧化物不僅僅滿足于涂覆該部件的外部。它填充并且堵塞裂紋、缺口及其它在硅中的微孔。因?yàn)椋瑥幕瘜W(xué)角度來(lái)看，硅原子對(duì)氧原子比對(duì)其它硅原子更具親合力，硅-二氧化硅接合應(yīng)該具有更大的粘附性并且二氧化硅構(gòu)成對(duì)硅的缺陷非常有效的焊接。當(dāng)除去二氧化硅層時(shí)，“剝離”自然地從外部發(fā)生。因此，在硅中的微孔內(nèi)部的二氧化物最后被侵蝕。因此理解的是，當(dāng)已經(jīng)除去二氧化硅層時(shí)，應(yīng)該繼續(xù)存在一定數(shù)量二氧化物的脈紋(veines)或插入物，它們填滿在硅制部件的表面中的微孔。這些二氧化物"焊料 "的存在可以引起該硅的增強(qiáng)，并因此引起所制備部件的更大的機(jī)械強(qiáng)度。根據(jù)本發(fā)明的方法的有利變型，二氧化硅層通過(guò)在900°C -1200°C的溫度下熱氧化該部件的表面形成。理解的是，根據(jù)這種變型，產(chǎn)生二氧化物的反應(yīng)消耗硅。因此，隨著氧化步驟進(jìn)行，構(gòu)成與新二氧化物層的界面的硅表面向后移。硅表面的向后移具有使在硅中較淺的表面裂紋和其它微孔消失的優(yōu)點(diǎn)，因此不需要堵塞它們。


本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)在以下實(shí)施例的描述中通過(guò)參考附圖更明顯地呈現(xiàn)，這些實(shí)施例以非限制性說(shuō)明方式給出，其中
-圖Ia顯示硅制微機(jī)械部件的初始截面； -圖加對(duì)應(yīng)于在形成二氧化硅層之后的圖Ia ； -圖3a對(duì)應(yīng)于在除去二氧化硅層之后的圖加；
-圖Ib是顯示在硅表面中的兩個(gè)微裂縫和一個(gè)微孔的圖Ia的一部分的顯著放大； -圖2b對(duì)應(yīng)于在形成二氧化硅層之后的圖Ib ； -圖北對(duì)應(yīng)于在除去二氧化硅層之后的圖2b。發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明
作為可以使用本發(fā)明的方法制造的增強(qiáng)的微機(jī)械部件的實(shí)例，可以提到齒輪、擒縱輪、 地腳螺栓(ancres)或其它被繞軸旋轉(zhuǎn)的部件，如心軸。最后，本發(fā)明的方法還可以制造被動(dòng)部件，如，例如軸承。圖Ia完全示意地顯示具有硅制芯(he) 1的微機(jī)械部件的截面，其中標(biāo)注號(hào)3指示初始外表面。當(dāng)使硅制部件放置在環(huán)境介質(zhì)中一定時(shí)間段時(shí)，它天然地由被稱為"天然氧化物“二氧化硅(未顯示)涂覆，其厚度基本為Ι-lOnm。圖Ib是在硅的表面3中的兩個(gè)微裂縫12和一個(gè)表面微孔14的圖Ia的一部分的顯著放大。認(rèn)為這些裂紋或微孔的存在可促進(jìn)使得硅制部件更易碎的和脆性的是合理的。圖加顯示在通過(guò)在900°C -1200°C熱氧化該硅制部件的表面而形成二氧化硅層之后的圖Ia的截面。為此，應(yīng)用在著作〃kmiconductor devices: physics and technology"，(Ed. John Wiley & Sons, ISBN0-471-87424-8，01. 01 1985，p.341-355)中描述的操作方法。因此，需要在1100°C的溫度下大約10小時(shí)以獲得約1. 9 μ m的S^2厚度。如圖加顯示，以犧牲硅形成二氧化物，其正面3向后移以產(chǎn)生與形成的SW2的新界面 5。相反地，由于SiO2具有更低密度，SiO2W外表面7延伸超過(guò)部件的初始表面。這些分界線3、5和7的位置沒(méi)有按比例尺顯示。圖2b顯示在形成二氧化硅層之后與圖Ib相同的放大?？梢钥闯?，因?yàn)樵诠韬托纬傻腟iO2之間的界面5的向后移，表面的微孔14已經(jīng)完全消失。還看出，微裂縫12已經(jīng)完全地由二氧化硅填充。圖3a顯示在已經(jīng)通過(guò)用氫氟酸溶液的化學(xué)侵蝕來(lái)除去二氧化硅層之后的硅制部件的相同截面。一旦通過(guò)該處理已經(jīng)除去SiO2層，可以看到邊界5，其在圖2中對(duì)應(yīng)于在硅和氧化物之間的界面，現(xiàn)在已經(jīng)變成外表面。由于氧化已經(jīng)消耗部分硅，通過(guò)本發(fā)明的方法提供的微機(jī)械部件的尺寸(cotes)稍微小于在微加工期間為其提供的尺寸。然而，很明顯的是Si和SiO2的物理性質(zhì)和熱處理的特征的認(rèn)識(shí)可用于計(jì)算用于切割部件的初始尺寸以便在處理結(jié)束時(shí)獲得希望的尺寸。圖北顯示在已經(jīng)除去二氧化硅層2之后與圖Ib和2b 相同的放大?？梢钥吹剑趸璧?脈紋"繼續(xù)保留在微裂縫12內(nèi)部。為了使在微裂縫內(nèi)部的二氧化物的腐蝕降低至最小，一旦已經(jīng)除去層2，剝離二氧化硅的步驟優(yōu)選地應(yīng)該被間斷。對(duì)S^2的化學(xué)性質(zhì)和用于“剝離”的稀釋氫氟酸的認(rèn)識(shí)可用于計(jì)算最佳的暴露時(shí)間以便除去SiO2層同時(shí)保留在裂紋12中的二氧化物的脈紋。正如前面提到的那樣，硅原子具有與氧原子比與其它硅原子更大親合力。在這些條件下，用二氧化硅線填充微裂縫可以引起使用通過(guò)本發(fā)明的方法制備的部件所觀測(cè)到的優(yōu)良機(jī)械強(qiáng)度。另一方面，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，當(dāng)形成二氧化物層時(shí)該熱氧化引起該硅表面的退卻。通過(guò)用另一種方法，例如從硅烷(SiH4)或TEOS (Si(OC2H5)4)形成二氧化物層， 理論上將可以實(shí)施本發(fā)明的方法同時(shí)避免剛才描述的部件的縮小。還將理解的是，可以對(duì)形成本說(shuō)明書的主題的實(shí)施方案進(jìn)行對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員明顯的各種變化和/或改進(jìn)而不脫離由附帶的權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的范圍。特別地，氫氟酸溶液不是唯一除去二氧化硅層的方式。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將可以使用任何顯示適合于實(shí)施該操作的方式，特別地使用BHF。另一方面，根據(jù)本發(fā)明的方法的未顯示的變型，可以提供附加步驟，在該附加步驟中由因其摩擦學(xué)性質(zhì)而被選擇的材料制成的涂層在已除去SiO2之后在硅表面上形成。為此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將可以選擇任何其它顯示適合于該目的的材料。特別地，可以選擇呈金剛石形式的結(jié)晶碳(DLC)或碳納米管。
權(quán)利要求
1.制造由增強(qiáng)的硅制成的微機(jī)械部件的方法，所述方法順序地包括以下步驟 -在硅晶片中微細(xì)加工該部件或一組部件；-在一個(gè)或多個(gè)步驟中在該部件的整個(gè)表面上形成二氧化硅層，以便獲得是天然二氧化硅的厚度至少五倍的二氧化硅厚度； -通過(guò)化學(xué)侵蝕除去二氧化硅層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于二氧化硅層的厚度是天然二氧化硅的厚度的至少一百倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于該二氧化硅層通過(guò)在90(TC-120(TC溫度下熱氧化該部件的表面而形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，特征在于在該方法的第一步驟中，該部件使用比希望的最終尺寸稍微更大的尺寸進(jìn)行微加工，并且在于該二氧化硅層然后通過(guò)在900°C -1200°C的溫度下熱氧化該部件的表面而形成。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，特征在于在除去二氧化硅層的步驟之后，它包括在該部件的表面上形成具有比晶體硅更好的摩擦學(xué)性質(zhì)的材料的涂層。
6.用于結(jié)合到鐘表機(jī)械裝置中的增強(qiáng)的硅制微機(jī)械部件，特征在于它能夠通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)的方法獲得。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的部件，特征在于二氧化硅“脈紋“存在于該部件的表面中。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于制備由增強(qiáng)的硅制成的微機(jī)械部件的方法，所述方法包括以下步驟在硅晶片中微加工該部件或一組部件；在一個(gè)或多個(gè)步驟中在該部件的整個(gè)表面上形成二氧化硅層，以便獲得為天然二氧化硅的厚度至少五倍的二氧化硅厚度；通過(guò)化學(xué)侵蝕除去二氧化硅層。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102471047SQ201080032968
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月23日
發(fā)明者卡拉帕蒂斯 N. 申請(qǐng)人:寶璣表有限公司