專利名稱：復雜的帶穿孔的微機械部件的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種由任何材料例如碳基材料制成的復雜的微機械部件以及制造該種部件的方法。
背景技術(shù)：
由于通過厚層沉積工藝或通過固體蝕刻方法產(chǎn)生不利的粗糙度，單純由合成金剛石或DLC(類金剛石碳素)制造微機械部件是非常昂貴的并且在摩擦學方面是不利的。因此，目前優(yōu)選使用合成金剛石或DLC的薄層覆蓋微機械部件，但這不能獲得想要的所有形狀，尤其是如果部件的一部分必須被穿孔。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，通過提出一種用于制造帶穿孔的具有復雜幾何形狀的微機械部件的方法來克服上述全部或部分缺點，該方法使用最少的材料和步驟并可提供具有大大改善的粗糙度和非常有利的廢品率以及生產(chǎn)成本的部件。因此，本發(fā)明涉及一種在單塊材料上制造微機械部件的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟a)形成襯底，該襯底包括用于待制造的所述微機械部件的凹腔；b)在所述襯底的一部分上形成犧牲層；c)在所述襯底上沉積用于形成萌發(fā)點的顆粒；d)移走所述犧牲層，以選擇性地使所述襯底的一部分沒有任何顆粒；e)通過化學氣相沉積僅在所述顆粒保留的地方沉積第一材料層；f)移走所述襯底，以釋放在所述凹腔中形成的所述微機械部件。因此，該方法允許制造具有材料“皮膚”一即，少量材料一的單件式微機械部件一即，沒有材料的不連續(xù)的部件，該部件的外表面具有襯底的非常有利的粗糙度。這大大降低了外層所需要的材料的成本，并改善了整個粗糙度，尤其是在外表面上的粗糙度，并提高了其摩擦學性能。此外，通過只沉積用于最終涂層所需要的材料量而不需要沉積用于任何后續(xù)的修改步驟所需要的材料量，選擇性地沉積材料。根據(jù)本發(fā)明的其它有利特征-在步驟f)之前，該方法包括步驟g):從所述襯底上去除比所沉積的第一材料層的厚度大的厚度，以便使在所述凹腔中的所述第一材料的層具有有限厚度。-步驟b)通過光刻執(zhí)行；-步驟c)包括階段I):使用含有所述顆粒的膠狀溶液覆蓋所述襯底，和階段2)從所述膠狀溶液中去除溶劑，從而僅所述顆粒保留在所述襯底上；-所述顆粒與在步驟e)中沉積的所述第一材料具有相同的性質(zhì)；-在步驟e)中沉積的所述第一材料由硅基化合物或部分由碳的同素異形體形成；-在步驟e)之后，該方法包括步驟h):用第二材料填充覆蓋有在步驟e)中沉積的第一材料的模子，以便獲得由所述第一材料制成的微機械部件，所述第一材料通過所述第二材料得到加強和/或裝飾有所述第二材料；-在步驟h)中，所述第二材料形成為從所述凹腔伸出來，以便形成所述微機械部件的附加功能元件；-所述第二材料包括金屬或金屬合金。


從下面參考附圖經(jīng)由非限制性示例給出的詳細描述中，可以清楚地發(fā)現(xiàn)其它特征和優(yōu)點，其中
-圖I至圖8是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的制造方法的連續(xù)步驟的示意圖；-圖9是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例獲得的示例性微機械部件的示意圖；-圖10至圖14是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的制造方法的連續(xù)步驟的示意圖；-圖15至圖17是根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的制造方法的連續(xù)步驟的示意圖；-圖18是根據(jù)本發(fā)明的第三實施例獲得的示例性微機械部件的示意圖；-圖19至圖20是根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的制造方法的連續(xù)步驟的示意圖；-圖21是根據(jù)本發(fā)明的第四實施例獲得的示例性微機械部件的示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明涉及一種例如由碳基材料制成的單件式微機械部件的制造方法。“碳基”是指晶態(tài)形式的合成碳同素異形體例如金剛石或單層或多層石墨烯或者非晶態(tài)形式的合成碳同素異形體例如DLC。當然，有利地，根據(jù)本發(fā)明，能沉積成層并具有摩擦學優(yōu)點的其它類型的材料可用作合成碳同素異形體的替代。這些替代材料可以是例如硅基化合物，即，例如氮化硅、氧化硅或碳化硅。該微機械部件設計成應用于鐘表學領域。然而，可以很容易想到用于其它領域，例如尤其是航空、珠寶或者汽車工業(yè)。在鐘表學領域，該微機械部件可以例如完全或部分由碳同素異形體基材或上述的替代材料形成手表外部部件、游絲、擺輪、擒縱叉、橋夾板或甚至輪副例如擒縱輪。在圖I至圖8中示出了制造該微機械部件的方法的第一實施例。在步驟a)中，該方法在于在襯底I上形成用于未來的微機械部件的凹腔3。各種各樣的襯底I都是可能的。優(yōu)選地，襯底I的材料選擇低粗糙度的一即，具有光滑表面的自然性質(zhì)一并能夠抵抗沉積步驟的侵蝕。舉例來說，圖I和圖2示出了步驟a)由硅襯底I形成，因為硅襯底可以獲得非常好的粗糙度，即算術(shù)平均值Ra基本上小于10nm。因此，在圖I示出的第一階段中，用具有孔4的掩膜2覆蓋襯底I，孔4使襯底I的頂部暴露在外。在第二階段，在孔4中進行蝕刻。該蝕刻可以是濕法蝕刻或干法蝕刻。最后，在圖2示出的第三階段中，移走掩膜2，只留下在襯底I上制成的凹腔3。在圖3示出的第二步驟b)中，用犧牲層5覆蓋襯底I，該犧牲層使襯底I的多個區(qū)域暴露在外。優(yōu)選地，步驟b)通過使用正性或負性光敏樹脂的光刻執(zhí)行。
如圖4所示，第三步驟c)在于用顆粒6覆蓋整個襯底1，所述顆粒6用于形成后續(xù)沉積的萌發(fā)點。優(yōu)選地，步驟c)包括使用含有所述顆粒的膠狀溶液覆蓋襯底I的第一階段。因此，通過將襯底I至少部分浸入溶液中獲得涂層，在所述溶液中有目的地使顆粒在溶劑中移動以在溶液中獲得最可能均勻的分布。舉例來說，顆粒在溶劑中的移動可通過超聲攪拌實現(xiàn)。最后，溶劑可由醇類或水組成，但并不限于此。顆粒6可用作萌發(fā)點。在這方面，顆粒可以是相對于后續(xù)沉積的材料來說的雜質(zhì)，或者它們可具有與后續(xù)沉積的材料相同的性質(zhì)。優(yōu)選地，顆粒的直徑在幾納米和幾十納米 之間。步驟c)繼續(xù)第二階段，該第二階段用于從溶液中去除溶劑以在襯底I上形成顆粒
6。該第二階段可通過例如蒸發(fā)溶劑獲得。在圖5示出的第四步驟d)中，該方法在于從襯底I上移走犧牲層5，以除去襯底I的一部分上的任何顆粒6。因此，顯然，具有顆粒6的部分是沒有犧牲層5的區(qū)域。通過非限制性示例，步驟d)可通過溶解或選擇性化學蝕刻犧牲層5獲得。在第一實施例的第五步驟e)中，該方法在于通過化學氣相沉積沉積材料7，因此只有顆粒6被沉積或保留。在步驟e)的最后，如圖6所示，獲得了直接形成有材料7的所希望的部分層的襯底I。根據(jù)本發(fā)明的方法可包括可選的第六步驟g)。步驟g)用于去除襯底I的覆蓋有層7的一部分，以便使在所述凹腔3中的所述層7具有有限厚度。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明，從襯底I上去除比層7的厚度el大的厚度e2，如圖7所示。因此，顯然，除了在襯底I的腔3中，層7肯定不再存在了。在第一實施例的最終步驟f)中，該方法在于移走襯底I，以釋放至少部分在腔3中形成的微機械部件。因此，在襯底I由硅制成的上述示例中，步驟f)可包括選擇性蝕刻硅。例如，這可通過使用包含四甲基氫氧化銨(TMAH和TMA0H)的浴的化學蝕刻獲得。在步驟f)的最后，如圖8所示，獲得了僅由層7形成的微機械部件，該部件的幾何形狀與腔3至少部分匹配。有利地，外表面一即，直接與襯底I接觸的表面一具有非常好的粗糙度，即可與襯底I的粗糙度相當，并且該外表面優(yōu)選用作機械接觸表面。最后，對于高度e3在10 U m和500 U m之間的微機械部件,沉積厚度el僅在0. 2 U m和20 之間的層7。因此，由于在步驟e)中縮短了沉積時間，因此顯然節(jié)約了材料成本和生產(chǎn)成本。因此，不管微機械部件如何復雜，該方法實施起來不會變得更加困難。舉例來說，在腔3的壁上形成齒圈不會增加困難度，所述齒圈將在微機械部件上形成匹配的齒圈。通過非限制性示例，圖9示出了根據(jù)第一實施例可獲得的微機械部件11。微機械部件11包括基本上鐵餅狀的盤13，該盤具有位于盤中心的允許例如與樞轉(zhuǎn)銷配合工作的孔18。此外，轂12與孔18同軸地延伸出來，所述轂12將幾個臂14連接到輪輞16上。齒圈15從輪輞的周邊垂直地伸出來。因此，圖9示出了齒圈15和盤13的厚度由在該方法的步驟e)中沉積的層7的厚度el形成。有利地，通過只沉積用于最終涂層所需要的材料量而不需要沉積用于后續(xù)的修改步驟所需要的材料量，選擇性地沉積材料。這導致由去除材料的操作(破壞襯底I、在沉積層7上的銀等)所產(chǎn)生的廢品率減少。由于縮短了沉積層7的步驟e)、減少了材料7的使用量以及沒有任何機械去除操作，因此這也降低了生產(chǎn)成本。圖10至圖14示出了第一實施例的第二個替代實施例。根據(jù)第二實施例的步驟a)與第一實施例的相同，并在于在襯底21上形成用于未來的微機械部件的凹腔23，該第二實施例的步驟a)具有與第一實施例相同的變型和優(yōu)點。在圖10示出的第二步驟b)中，用犧牲層25覆蓋襯底21，該犧牲層使襯底21的多個區(qū)域暴露在外。優(yōu)選地，步驟b)通 過使用正性或負性光敏樹脂的光刻執(zhí)行。如圖11所示，第三步驟c)在于在用顆粒26覆蓋整個襯底21，所述顆粒26用于形成后續(xù)沉積的萌發(fā)點，該步驟c)與第一實施例的步驟c)具有相同的變型和優(yōu)點。在圖12示出的第四步驟d)中，該方法在于從襯底21上移走犧牲層25，以除去襯底21的一部分上的任何顆粒26。因此，顯然，具有顆粒26的部分是沒有犧牲層25的區(qū)域。通過非限制性示例，步驟d)可通過溶解或選擇性化學蝕刻犧牲層25獲得。在第二實施例的第五步驟e)中，該方法在于通過化學氣相沉積沉積材料27，因此只有顆粒26被沉積或保留。在步驟e)的最后，如圖13所示，獲得了直接形成有材料27的所希望的部分層的襯底21。根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的方法也可包括可選的第六步驟g)，該步驟g)與第一實施例的步驟g)完全相同，但未示出。在第二實施例的最終步驟f)中，該方法在于移走襯底21，以釋放在腔23中形成的微機械部件，該步驟f)具有與在第一實施例中的步驟f)相同的變型和優(yōu)點。在步驟f)的最后，如圖14所示，獲得了僅由層27形成的微機械部件，該部件的幾何形狀與腔23至少部分匹配。有利地，當不實施可選的步驟g)時，層27的厚度el可加到第一實施例的微機械部件的高度e3上，以得到在圖14中示出的總高度。此外，在第二實施例中，也顯然，步驟g)對于將層27限制在腔23內(nèi)是不必要的。事實上，同樣的結(jié)果可僅通過在除了腔23之外的整個襯底21上形成犧牲層25獲得。因此，如在第一實施例中一樣，不管微機械部件如何復雜，該方法實施起來不會變得更加困難。舉例來說，在腔23的壁上形成齒圈不會增加困難度，所述齒圈將在微機械部件上形成匹配的齒圈。所以，顯然，圖9的微機械部件11也可通過第二實施例制造。因此，在第二實施例中，如在第一實施例中一樣，獲得了僅由層27形成的微機械部件，該部件的幾何形狀與腔23的至少一部分匹配。有利地，外表面一即，直接與襯底21接觸的表面一具有非常好的粗糙度，即可與襯底21的粗糙度相當，并且該外表面優(yōu)選用作機械接觸表面。此外，有利地，在第二實施例中，通過只沉積用于最終涂層所需要的材料量而不需要沉積用于后續(xù)的修改步驟所需要的材料量，選擇性地沉積材料。這導致由去除材料的操作(破壞襯底21、在沉積層27上的銀等)所產(chǎn)生的廢品率減少。由于縮短了沉積步驟e)、減少了材料27的使用量以及沒有任何機械去除操作，因此這也降低了生產(chǎn)成本。圖15至圖17示出了形成上述第一實施例和第二實施例的替代的第三實施例。步驟a)至步驟e)分別與第一實施例和第二實施例的相同。然而，如圖15所示，在步驟e)之后執(zhí)行步驟h)，步驟h)在于用第二材料8填充覆蓋有第一材料7、27的腔3、23的中空部。因此，如果適當，分別在圖16和圖17示出的與第一和第二實施例類似的可選步驟g)和步驟f)之后，獲得了由第一材料7、27制成的微機械部件，所述步驟具有與前兩個實施例相同的變型和優(yōu)點，其中，第一材料7、27通過第二材料8得到進一步加強或裝飾有第二材料8。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)點，可以在部件上覆蓋薄層，這在以前是不可能的，因為薄層沉積需要特殊的條件，例如壓力、溫度或所使用的化合物。通過非限制性示例，且有利地根據(jù)本發(fā)明，因此可以由沉積物8形成主要是金屬的部件，該部件覆蓋有由層7、27形成的金剛石層，而目前據(jù)申請人所知，用金剛石覆蓋金屬部件仍然是困難的。如圖15所示，在步驟h)之前，也可以形成棒9，因此在步驟h)期間形成沒有第二材料8的孔10。應該注意到，一旦移走棒9，最終部件因此正好穿有孔10，如圖17所示。棒9以非限制的方式可通過使用正性或負性光敏樹脂的光刻形成。優(yōu)選地，中空部填充步驟h)通過電沉積或熱變形執(zhí)行。第二材料優(yōu)選是金屬或金屬合金，所述金屬或金屬合金可以是或者可以不是非晶態(tài)的。然而，可以改變沉積的類型和/或沉積材料的性質(zhì)。因此，在第三實施例中，可使用可選的步驟g)將所述層7、27的厚度限制在所述凹腔3、23中，而且使第二材料的沉積物8相對于所述限制部分是平的。也顯然，可以獲得與在前兩個實施例中的一樣復雜的微機械部件。通過非限制性示例，圖18示出了根據(jù)第三實施例可獲得的微機械部件31。微機械部件31包括基本上環(huán)狀的盤33，齒圈35從盤的周邊垂直地伸出來，其它部分由步驟h)的沉積物8形成的部分32填充，留下例如與樞轉(zhuǎn)銷配合工作的孔38。因此，齒圈35的厚度由在該方法的步驟e)中沉積的層7、27的厚度el和在步驟h)中獲得的沉積物8形成。圖19至圖20示出了上述第一實施例和第二實施例的第四替代實施例。步驟a)至步驟e)與第一實施例和第二實施例的相同。然而，如圖19所示，在步驟e)之后執(zhí)行第六步驟h)，步驟h)在于用第二材料28填充覆蓋有第一材料7、27的腔3、23的中空部。因此，在與前三個實施例類似的并在圖20中示出的步驟f)之后，獲得了由第一材料7、27制成的微機械部件，該第一材料7、27通過第二材料28得到加強和/或裝飾有第二材料28，并且該微機械部件具有與前三個實施例相同的變型和優(yōu)點。根據(jù)與第三實施例相同的優(yōu)點，可以在部件上覆蓋薄層，這在以前是不可能的，因為薄層沉積需要特殊的條件，例如壓力、溫度或所使用的化合物。通過非限制性示例，且有利地根據(jù)本發(fā)明的第四實施例，因此可以由沉積物28形成主要是金屬的部件，該部件覆蓋有由層7、27形成的金剛石層，而目前據(jù)申請人所知，用金剛石覆蓋金屬部件仍然是困難的。與第三實施例的步驟h)相比，根據(jù)第四實施例的步驟h)用于填充腔3、23的中空部，并有利地也形成厚度e3的凸出層，以形成微機械部件的附加功能元件。第四實施例的步驟h)優(yōu)選包括在步驟e)之后在襯底1、21上構(gòu)造模子30的階段。然后，是填充由腔3、23的中空部和模子30的孔共同形成的凹槽的階段。最后，步驟h)包括從襯底1、21的表面上移走模子30的階段。構(gòu)造模子30的階段例如可通過使用正性或負性光敏樹脂的光刻形成。此外，填充階段例如可使用電鍍執(zhí)行。如果襯底1、21由導電材料例如高摻雜硅制成，則電鍍更容易執(zhí)行。第二材料優(yōu)選是金屬或金屬合金，所述金屬或金屬合金可以是或者可以不是非晶態(tài)的。然而，可以改變沉積的類型和/或沉積材料的性質(zhì)如圖19所示，可以在形成模子30的同時形成棒29，因此在步驟h)中形成沒有任何第二材料28的孔20。應該注意到，一旦移走棒29，最終部件因此正好穿有孔20，如圖20所示。步驟h)還可包括研磨和/或拋光沉積物28的頂部的最終步驟。因此，在第四實施例的最終步驟f)中，該方法在于移走襯底1、21，以釋放至少部分在腔3中形成的微機械部件，該步驟具有與在第一實施例中的相同的變型和優(yōu)點。在步驟f)的最后，如圖20所示，獲得了僅由層7、27形成的微機械部件，該部件的幾何形狀與腔3、23至少部分匹配，其中層27通過沉積物28得到加強和/或裝飾有沉積物
28。有利地，外底表面由層7、27形成，即，該表面直接與襯底1、21接觸，具有非常好的粗糙度，即可與襯底I的粗糙度相當，并且該外底表面優(yōu)選用作機械接觸表面。微機械部件還包括完全由沉積物28形成一即，沒有層7、27—的第二較高層，以形成微機械部件的附加功能元件。該功能元件可以以非限制的方式是例如用于與另一元件合作的齒圈22、孔20和/或臺肩24。如在前三個實施例中的一樣，由于縮短了層7、27的沉積步驟，因此顯然節(jié)約了材料成本和生產(chǎn)成本，該部件的其它部分由不太昂貴的沉積物28形成，還提供了潛在地非常復雜的幾何形狀。因此，顯然可以獲得與在前三個實施例中的微機械部件具有相同復雜度的微機械部件。圖21通過非限制性示例示出了可根據(jù)第四實施例獲得的微機械部件41。微機械部件41包括基本上環(huán)狀的盤43，該盤43可與圖18的盤33相當，齒圈45從盤43的周邊垂直地伸出來，剩余部分由在步驟h)的沉積物28形成的部分42填充，留下例如與樞轉(zhuǎn)銷配合工作的孔48。因此，齒圈45的厚度由在該方法的步驟e)中沉積的層7、27的厚度el和在步驟h)中獲得的沉積物28的厚度形成。在僅由沉積物28形成的第二層上，微機械部件41包括輪44，該輪44的周邊包括齒圈46，且該輪44的中心具有例如用于與樞轉(zhuǎn)銷配合工作的延伸孔48。當然，本發(fā)明并不限于圖示的示例，而是可以具有本領域技術(shù)人員想到的各種變型和改變。尤其是，可以在同一襯底上同時制造幾個可以具有或可以不具有相同設計的微機械部件。此外,可以使用襯底1、21的底部部分。因此，不僅可在襯底I、21上形成幾個相同或不同的腔3、23，而且也可形成在襯底1、21的不同面上，即，本方法的各種實施例的步驟都可應用于襯底1、21的幾個面。
權(quán)利要求
1.一種在單塊材料上制造微機械部件(11，31，41)的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 a)形成襯底(1，21)，該襯底包括用于待制造的所述微機械部件的凹腔(3，23)； b)在所述襯底(1，21)的一部分上形成犧牲層(5，25)； c)在所述襯底(1，21)上沉積用于形成萌發(fā)點的顆粒(6，26)； d)移走所述犧牲層(5，25)，以選擇性地使所述襯底(1，21)的一部分沒有任何顆粒(6，26)； e)通過化學氣相沉積沉積第一材料(7，27)層，使得所述第一材料只在所述顆粒(6，26)保留的地方沉積； f)移走所述襯底(1，21)，以釋放在所述凹腔中形成的所述微機械部件(11，31，41)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟f)之前，該方法包括以下步驟 g)從所述襯底(1，21)上去除比所沉積的第一材料(7，27)層的厚度(el)大的厚度(e2)，以便使在所述凹腔中的所述第一材料層具有有限厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟b)通過光刻實現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟c)包括以下階段 1)使用含有所述顆粒的膠狀溶液覆蓋所述襯底(1，21)； 2)從所述膠狀溶液中去除溶劑，以在所述襯底(1，21)上只留下所述顆粒出，26)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述顆粒出，26)與在步驟e)中沉積的所述第一材料(7,27)具有相同的性質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟e)中沉積的所述第一材料(7，27)由碳的同素異形體形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟e)中沉積的所述第一材料(7，27)由娃基化合物形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟e)之后，該方法包括以下步驟 h)用第二材料(8，28)填充覆蓋有在步驟e)中沉積的所述第一材料(7，27)的腔(3，23)，以便獲得由所述第一材料制成的微機械部件(31，41)，所述第一材料通過所述第二材料(8，28)得到加強和/或裝飾有所述第二材料(8，28)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在步驟h)中，所述第二材料(28)形成為從所述凹腔伸出來，以便形成所述微機械部件(41)的附加功能元件(20，22，24，44)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二材料(8，28)包括金屬或金屬合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在單塊材料上制造微機械部件(11，31，41)的方法。根據(jù)本發(fā)明，所述方法包括以下步驟a)形成襯底(1，21)，該襯底包括用于待制造的所述微機械部件的凹腔(3，23)；b)在所述襯底(1，21)的一部分上形成犧牲層(5，25)；c)在所述襯底(1，21)上沉積用于形成萌發(fā)點的顆粒(6，26)；d)移走所述犧牲層(5，25)，以選擇性地使所述襯底(1，21)的一部分沒有任何顆粒(6，26)；e)通過化學氣相沉積沉積第一材料(7，27)層，使得所述第一材料只在所述顆粒(6，26)保留的地方沉積；f)移走襯底(1，21)，以釋放在所述凹腔中形成的微機械部件(11，31，41)。
文檔編號B81C1/00GK102627254SQ201210024520
公開日2012年8月8日 申請日期2012年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月3日
發(fā)明者D·理查德, P·卡森, P·杜博瓦 申請人:尼瓦洛克斯-法爾股份有限公司