機械構造部品とその製造方法
【課題】従来のシリコンを用いた機械構造部品は、その部品の一部分の強度を増しただけであり、その部品を使用する条件が制限されていた。
【解決手段】本発明の機械構造部品は、母体を軽量非金属素材であるシリコン単結晶で作り、その表面層すべてを合金で覆う。シリコン表面を結晶性のない構造に変化させ、シリコン基板が有する特定結晶面方位方向への脆弱性を補完し、部品全体の弾力性と機械強度を増し、弱点である特定結晶面方位による破断面の発生を防止することができる。また、このような部品を正確で再現性がよく効率的に製造することができる。
【解決手段】本発明の機械構造部品は、母体を軽量非金属素材であるシリコン単結晶で作り、その表面層すべてを合金で覆う。シリコン表面を結晶性のない構造に変化させ、シリコン基板が有する特定結晶面方位方向への脆弱性を補完し、部品全体の弾力性と機械強度を増し、弱点である特定結晶面方位による破断面の発生を防止することができる。また、このような部品を正確で再現性がよく効率的に製造することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板を加工してなる機械構造部品およびその製造方法に関するもので、特に、シリコン半導体基板を加工してなる小型の機械構造部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
精密小型機械を構成する機械構造部品やそれらを組み合わせた構造物は、目的に応じた機械的強度、仕上がり精度、加工性の容易さ、耐腐食性などが要求される。また、機械構造部品のうち、可動する部分の部品は、供給エネルギのロスを抑えるために上述の要求項目の他に軽量化が望まれる。
【０００３】
例えば、時計部品に使用される歯車などである。時刻を報知する際にディスプレイに文字を表示するなどする電子式時計が広く知られているが、近年では、指針を駆動させて時刻を報知する機械式または電子式時計がまた注目されている。
このような時計を構成する機械構造部品は、金属やプラスチックなどを加工して部品化する技術に加え、近年では、ＬＳＩ製造技術を応用し、シリコンなどの半導体基板を加工して部品化する技術が知られるようになってきた。
そのようなＬＳＩ製造技術を応用した機械構造部品は、微細で精度が高く、製造再現性のよい部品を実現することができる。
【０００４】
ＬＳＩ製造に使用される一般的な半導体材料であるシリコンウェハは、表面内部に電子デバイスを形成するため、単結晶で純度が高い。
しかしながら、シリコンウェハは、面方位に従い加工され一般に供給されているため、硬度があるものの、結晶性により面方位方向に割れやすいという特徴を有している。このため、硬いがもろい構造体となり、機械構造部品に用いても、用途が限られてしまう。
【０００５】
このような欠点があっても、上述のごとく、微細で精度が高く、製造再現性のよい部品を実現することができるため、多くの提案がなされている（特許文献１参照。）。
【０００６】
特許文献１に示した従来技術について説明する。図２１はその構造を説明するために、その主旨を逸脱しない範囲で書き直した概略図である。
図２１において、５０１はシリコン製の歯車、５０３は回転軸、５０２は歯車５０１と回転軸５０３との接合部である。なお、接合部５０２と回転軸５０３とは金属で作られる。
【０００７】
特許文献１に示した従来技術は、歯車５０１をシリコンで形成し、力が加わり磨耗寿命が懸念される回転軸５０３および接合部５０２を金属とした構造であり、シリコン金属接合部は割れ防止のため、過熱によりシリコンと金属の合金（共晶）としてある。力の加わる部分を強度が満足されるようにシリコン材を使おうとすると厚いシリコン基板が必要となり、コストアップになることを避けている。なお、歯車５０１は、精度と加工性を考慮し、半導体装置製造技術を用いている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２―２７６７７１号公報（第５頁、第５図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に示した従来技術では、歯車５０１は、回転軸５０３との接合部５０２をシリコンと金属との合金として強化したものであり、特定な部位のみ強度を
増し、歯車５０１の刃先や他の形状を持つ機構部品すべての強度要求を満たすものではない。
機械構造部品は、歯車５０１のように円形で加重のかかりが回転力であるようなものだけでなく、様々な形があり、加わる力の方向もその形状も様々な形が考えられる。また、そのような部品を組み合わせて構造体を製造する際に、機械構造部品自体の強度が確保されていないと組み立て途中での破壊が発生し、歩留まりを低下させてしまう。
【００１０】
したがって、機械構造部品は、その部品の一部分の強度を増しただけでは、その部品を使用する条件が制限されてしまうという問題がある。また、歩留まり低下による製造工程の長期化およびコストアップなどの問題もある。
【００１１】
本発明は上記のような問題を解決するためになされたもので、軽量で必要な機械強度を持つ微小な機械構造部品を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の機械構造部品は、以下のような構成を採用する。
【００１３】
シリコンを主成分とする機械構造部品であって、この機械構造部品は、単結晶シリコンで構成し、その表面全体を金属とシリコンとの合金膜で覆うことを特徴とする。
【００１４】
シリコンを主成分とする機械構造部品であって、この機械構造部品は、単結晶シリコンで構成し、その表面全体を酸化膜と、酸化膜と金属との合金層と、の積層膜で覆うことを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の機械構造部品は、以下のような製造方法を採用する。
【００１６】
単結晶のシリコンを所定の形状に加工する工程と、シリコンの表面を、スパッタリング，蒸着法，めっき法のいずれかを用いて金属の膜で覆う工程と、共晶反応を起こす温度以上まで加熱することにより金属とシリコンとの共晶合金層を形成する工程と、共晶合金層の表面の金属のみエッチングして除去し、シリコンの表面を金属とシリコンとの合金構造とする工程と、を有することを特徴とする。
【００１７】
単結晶のシリコンを所定の形状に加工する工程と、シリコンの表面を酸化してシリコン酸化膜を形成する工程と、シリコン酸化膜の表面を、スパッタリング，蒸着法，めっき法のいずれかを用いて金属の膜で覆う工程と、共晶反応を起こす温度以上まで加熱することにより金属とシリコン酸化膜との共晶合金層を形成する工程と、共晶合金層の表面の金属のみエッチングして除去し、シリコン酸化膜の表面を金属とシリコン酸化膜との合金構造とする工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の機械構造部品は、母体を軽量非金属素材であるシリコン単結晶で作り、その表面層すべてを合金で覆う。このため、シリコン表面の構造を結晶性のない構造に変化させ、シリコン基板が有する特定結晶面方位方向への脆弱性を補完し、部品全体の弾力性と機械強度を増し、弱点である特定結晶面方位による破断面の発生を防止することができる。
また、軽量で表面層が強化された丈夫な部品を作ることができるため、他部品との接合部強度が強化され、自重が少なく、エネルギのロスの少ない可動機構部品を実現することができる。
【００１９】
また、本発明の機械構造部品の製造方法によれば、半導体デバイスの製造技術を使用す
ることで、正確で再現性がよく効率的に部品製造をすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の機械構造部品は、部品形状に形成したシリコン単結晶の表面を合金化し、表面のみを改質させ部品全体の弾力性と機械強度とを強化する。
単結晶シリコンの表面に金属膜を、スパッタリング，蒸着法，めっき法になどの方法で付け、高温にて加熱すると金属とシリコンは反応し共晶が生じる。
この共晶・合金化は、金属とシリコンとの接触面から始まり、互いの組成原子とは異なる性質を示す合金層を作る。
【００２１】
この合金層の性質は、片方がシリコン表面あるいは薄い酸化膜であり、その上に生成した金属膜によって決まる。一般的に、ＬＳＩをはじめとする半導体デバイスを製造する工程で使用される金属膜は、ＡＬ，Ｔｉ，Ｗ，Ａｕ，Ｃｕの金属膜や、ＡＬＳｉ，ＡＬ−Ｓｉ−Ｃｕなどがある。
Ｓｉと融点を比較すると、ＬＳＩの製造プロセス上、融点の高い金属が多いが、Ｓｉの融点１４００℃に比較すると、ＡＬ系，Ａｕ系に限られるが、金属膜自体に合金を選ぶと個別の金属固有の融点より低い融点を持つので、様々な金属の組み合わせができることになる。
合金化した部分は、機械的強度の改善（引っ張り強度、硬さ）、耐食性の向上、磁性や熱膨張率の制御、融点の低下などの効果が得られる。
【００２２】
以下、本発明の機械構造部品は、単結晶シリコン基板を用いてなる時計用の小型部品を例にして説明する。
【００２３】
［構造の説明１：図１］
まず、本発明の機械構造部品の構造について図を用いて詳細に説明する。図１は円盤型微小部品の外観を説明する図である。図１（ａ）は、円盤型微小部品を上面から見た平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＡ−Ａ´断面で見たときの断面図である。図１（ｃ）は円盤型微小部品の断面も表す斜視図である。
【００２４】
図１において、１００は円盤型微小部品、１０１はシリコン単結晶の部分である。これを囲む１０２は共晶合金層である。１０３は貫通孔である。共晶合金層１０２は、例えば、アルミニウムとシリコンとの共晶合金層である。貫通孔１０３は、円盤型微小部品の略中央に設けてあり、その内壁も共晶合金層１０２で覆われている。
円盤型微小部品１００は、特に限定しないが、時計を構成する所定の回転軸に貫通孔１０３を嵌合してなる歯車として用いることができる。
【００２５】
もちろん、円盤型微小部品１００の母体であるシリコン単結晶１０１は、精密加工ができる非金属であれば、単結晶シリコンだけでなく多結晶シリコン、非晶質シリコンなどを用いることができる。
【００２６】
円盤型微小部品１００は、その全面を共晶合金層１０２で覆われており、全体をシリコン単結晶基板で構成する場合に比べて、機械的強度が向上している。このため、シリコン単結晶で構成するよりもその厚さを薄くすることができ、軽量、小体積とすることができる。
【００２７】
［製造方法の説明１：図２〜図１０］
次に、本発明の機械構造部品の製造方法について図を用いて詳細に説明する。機械構造部品としては、リング形状を有する微小部品を例にして説明する。このような部品は、時計を構成する所定の回転軸に嵌合してなるスリーブ部材や、歯車や他の部材との間に挿入
するスペーサとして用いるものである。
図２（ａ）は、リング状微小部品を上面から見た平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すＢ−Ｂ´断面で見たときの断面図である。図３〜図１０も、図２（ｂ）と同様な断面図である。
【００２８】
図２（ａ）に示すように、単結晶のシリコン基板２０１の所定の部分にリング状微小部品の形状を規定するための溝２０２ａ，２０２ｂを設ける。
シリコン基板２０１は、精密加工ができるように鏡面に研磨されており、シリコン基板２０１の上部にホトリソグラフィとシリコンのエッチング技術とを用いて、２つの溝２０２ａ，２０２ｂを形成する。溝２０２ａの周囲に離間して溝２０２ｂを設ける。
溝２０２ｂに囲まれた部分がリング状微小部品となり、溝２０２ａがリング状微小部品の中心部分、例えば、他の部材との貫通孔となる。
【００２９】
なお、この溝２０２ａ，２０２ｂの深さは、形成するリング状微小部品の仕様により異なる。例えば、その部品の厚さに応じて変更されるものである。もちろん、貫通溝ではなく、シリコン基板２０１の底面側までは貫通させない。シリコン基板２０１の強度が保たれるように溝２０２ａ，２０２ｂの溝底部を残しておく。
【００３０】
図３に示すように、シリコン基板２０１の表面に金属膜２０５を形成する。なお、シリコン基板２０１の表面には、薄い自然酸化が生成されるが、ここでは省略している。
金属膜２０５は、スパッタリング，蒸着法，めっき法などの知られている半導体デバイスの製造方法を用いて形成することができる。金属膜２０５は、溝２０２ａ，２０２ｂの溝底部や内壁にも形成している。
金属膜２０５は、例えば、アルミニウムを用いることができる。もちろん、単一の金属だけでなく、数種の金属を積層した膜や、あらかじめアルミニウムにシリコンや銅などの他元素を付加した金属膜でもよく、シリコンに対する共晶、合金反応を起こす温度が、シリコン単結晶基板の変形を起こすことのない範囲で選択できる。
【００３１】
次に、図４に示ように、シリコン基板２０１上の金属膜２０５の表面に、シリコン酸化膜２０４を形成する。
シリコン酸化膜２０４は、溝２０２ａ，２０２ｂも埋めてしまうように、例えば、常圧ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成する。
このシリコン酸化膜２０４は、後の工程で、シリコン基板２０１の形状保持手段となるので、できだけ厚く生成する方がよい。
【００３２】
次に、図５に示すように、シリコン基板２０１の裏面を削り、溝２０２ａ，２０２ｂの溝底部をも除去する。
シリコン基板２０１の下面（溝２０２ａ，２０２ｂを設けていない面）を、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法やウェットまたはドライエッチング技術を用いてシリコンエッチングする。もちろん、双方を組み合わせてシリコンを除去してもよい。シリコン基板２０１の下面を削る量は、溝２０２ａ，２０２ｂの溝底部に達し、この溝が貫通孔になるまでとする。
ＣＭＰ法とウェットまたはドライエッチング技術を組み合わせる方法では、先にＣＭＰ法で荒く厚く削り、溝２０２ａ，２０２ｂの内壁の金属膜２０５を検出してエッチングストップをかけ、精度よく削り量をコントロールすることができる。
【００３３】
シリコン基板２０１の上面のシリコン酸化膜２０４は、シリコン基板２０１の形状保持手段となっているので、シリコン基板２０１の下面のシリコンの除去が溝２０２ａ，２０２ｂの溝底部に達しても、シリコン基板２０１がばらばらになることはない。
【００３４】
次に、図６に示すように、シリコン基板２０１の下面に金属膜２０７を形成する。
金属膜２０７は、スパッタリング，蒸着法，めっき法などの知られている半導体デバイスの製造方法を用いて形成することができる。金属膜２０５は、金属膜２０５と同じ金属を設けるが、応力など考慮してその膜厚を変えてもよい。もちろん、製造するリング状微小部品の仕様に応じて、金属種そのものを変えてもよい。
金属膜２０７の形成にあっては、シリコン基板２０１の上下を反転させて、成膜するなどする。
【００３５】
次に、図７に示すように、シリコンと金属との共晶合金層２０６を形成する。
共晶合金層２０６は、金属膜２０５，金属膜２０７とシリコン基板２０１とを共晶・合金化して得るものである。このため、シリコン基板２０１を加熱する。
加熱温度は、シリコン基板２０１が形状精度を失うような高温とはせず、不活性ガス中で１０００℃未満とする。金属膜２０５，金属膜２０７とシリコン基板２０１とが共晶する温度以上に加熱すると、両者の境界部に共晶合金層２０６が形成される。
【００３６】
次に、図８に示すようにシリコン酸化膜２０４を除去する。
シリコン酸化膜２０４は、ドライエッチングで選択的にエッチングする。すでに説明したように、シリコン基板２０１の上面のシリコン酸化膜２０４は、シリコン基板２０１の形状保持手段となっているので、シリコン酸化膜２０４の除去により、リング状微小部品は、この段階でばらばらに切り離された状態になる（図９）。
このような状態でも、シリコン基板２０１が露出している全ての面は、金属膜２０５または金属膜２０７で覆われ、これら金属膜とシリコン基板２０１との境界部には、共晶合金層２０６が形成されているので、ばらばらになっても強度は高く、破損することはない。
【００３７】
次に、図１０に示すように金属膜２０５，金属膜２０７を除去する。
リング状微小部品の表面を覆う金属膜２０５，金属膜２０７をエッチングにて除去する。これら金属膜は、アルミニウムであればリン酸を用いてエッチングすることができる。
【００３８】
以上、説明した製造工程によって、リング状微小部品が完成する。説明した製造方法は、もちろん一例であり、さまざまに変更を施すことができる。
例えば、常圧ＣＶＤ法を用いてシリコン酸化膜２０４を形成するとき、溝２０２ａ，２０２ｂをすべて埋めてしまわなくてもよい。その場合、シリコン酸化膜２０４の形成前に、溝２０２ａ，２０２ｂにＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ Ｇｌａｓｓ）膜を塗布形成して埋めてしまうのである。このようにすれば、溝の埋め込みをよくし、平坦なＣＶＤ表面を得ることができれば良好な保持材としての役割を得る効果がある。
【００３９】
［構造の説明２：図１１］
本発明の機械構造部品の構造として、その表面をシリコン酸化膜と金属の合金とした部品について、図を用いて詳細に説明する。図１１は円盤型微小部品の外観を説明する図である。図１１（ａ）は、円盤型微小部品を上面から見た平面図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示すＣ−Ｃ´断面で見たときの断面図である。図１１（ｃ）は円盤型微小部品の断面も表す斜視図である。
【００４０】
図１１において、３００は円盤型微小部品、３０１はシリコン単結晶の部分である。これを囲む３０４はシリコン酸化膜であり、３１０は共晶合金層である。３０３は貫通孔である。共晶合金層３１０は、例えば、アルミニウムとシリコン酸化膜との共晶合金層である。貫通孔３０３は、円盤型微小部品の略中央に設けてあり、その内壁も共晶合金層３１０で覆われている。
円盤型微小部品３００は、特に限定しないが、時計を構成する所定の回転軸に貫通孔３０３を嵌合してなる歯車として用いることができる。
【００４１】
もちろん、円盤型微小部品３００の母体であるシリコン単結晶３０１は、精密加工ができる非金属であれば、単結晶シリコンだけでなく多結晶シリコン、非晶質シリコンなどを用いることができる。
【００４２】
円盤型微小部品３００は、その全面を共晶合金層３１０で覆われており、全体をシリコン単結晶基板で構成する場合に比べて、機械的強度が向上している。このため、シリコン単結晶で構成するよりもその厚さを薄くすることができ、軽量、小体積とすることができる。
【００４３】
［製造方法の説明２：図１２〜図２０］
次に、本発明の機械構造部品の構造として、表面をシリコン酸化膜と金属との合金とした部品の製造方法について、図を用いて詳細に説明する。機械構造部品としては、リング形状を有する微小部品を例にして説明する。このような部品は、時計を構成する所定の回転軸に嵌合してなるスリーブ部材や、歯車や他の部材との間に挿入するスペーサとして用いるものである。
【００４４】
まず、シリコン基板の表面にシリコン酸化膜を形成する。
図１２はシリコン基板の一部を示した断面図である。図１２に示すように、シリコン基板４０１を８００〜１０００℃の酸素を含む雰囲気中で熱酸化し、シリコン酸化膜４０４を表面に形成する。
次に、図１３に示すように高融点金属膜４０５と酸化膜４０６を形成する。
シリコン基板４０１の裏面にチタンなどの高融点金属膜４０５をスパッタ法などで形成し、その上に常圧ＣＶＤ法あるいはＰＶＤ法にて酸化膜３０６を成膜する。
【００４５】
図１４（ａ）は、リング状微小部品を上面から見た平面図である。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に示すＤ−Ｄ´断面で見たときの断面図である。図１５〜図２０も、図１４（ｂ）と同様な断面図である。
図１４に示すように、すでに説明した製造工程を経ているためシリコン基板４０１の表面には、シリコン酸化膜４０４と高融点金属膜４０５と酸化膜４０６とが形成してあるが、そのシリコン基板４０１の所定の部分に、リング状微小部品の形状を規定するための溝４０７ａ，４０７ｂを設ける。
シリコン基板４０１上のシリコン酸化膜４０４の上部からホトリソグラフィとシリコン酸化膜エッチング技術、シリコンのエッチング技術を用いて、溝４０７ａ，４０７ｂを形成する。
すでに説明した例と同じく、溝４０７ｂに囲まれた部分がリング状微小部品となり、溝４０７ａがリング状微小部品の中心部分、例えば、他の部材との貫通孔となる。
【００４６】
なお、この溝４０７ａ，４０７ｂは、シリコン基板４０１の裏面に設けたシリコン酸化膜４０４までエッチングする。このとき、高融点金属膜４０５はエッチングストッパとなる。
このように、高融点金属膜４０５を設けることにより、下面のでシリコン基板４０１がエッチングされて薄くなることを防ぐ。
高融点金属膜４０５とそれに重ねて設ける酸化膜４０６は、シリコン基板４０１の形状保持手段となり、製造工程中のシリコン基板４０１の強度が保たれる。
【００４７】
次に、図１５に示すように、溝４０７ａ，４０７ｂの内壁にシリコン酸化膜を形成する。
酸素雰囲気中で酸化すると、シリコン基板４０１の溝４０７ａ，４０７ｂの内壁にシリコン酸化膜が形成される。このシリコン酸化膜は、すでに形成してあるシリコン酸化膜４０４と一体となり、表面を覆う。なお、酸化は１０００℃以下とし、シリコン基板４０１の基板構造が変形しない温度で行う。
【００４８】
次に、図１６に示すように、シリコン基板４０１の表面に金属膜４０８を形成する。
金属膜４０８は、スパッタリング，蒸着法，めっき法などの知られている半導体デバイスの製造方法を用いて形成することができる。金属膜４０８は、溝４０７ａ，４０７ｂの溝底部や内壁にも形成している。
金属膜４０８は、例えば、アルミニウムを用いることができる。もちろん、単一の金属だけでなく、数種の金属を積層した膜や、あらかじめアルミニウムにシリコンや銅などの他元素を付加した金属膜でもよく、シリコンに対する共晶、合金反応を起こす温度が、シリコン単結晶基板の変形を起こすことのない範囲で選択できる。
【００４９】
次に、図１７に示ように、シリコン基板４０１上の金属膜４０８の表面に、シリコン酸化膜４０９を形成する。
シリコン酸化膜４０９は、溝４０７ａ，４０７ｂも埋めてしまうように、例えば、常圧ＣＶＤ法やＰＶＤ法を用いて形成する。
このシリコン酸化膜４０９は、後の工程で、シリコン基板４０１の形状保持手段となるので、できだけ厚く生成する方がよい。
【００５０】
次に、図１８に示すように、シリコン基板４０１の下面に金属膜４１１を形成する。
まず、シリコン基板４０１の下面に設けてある高融点金属膜４０５と酸化膜４０６とをドライエッチングで除去し、その後、金属膜４１１を、スパッタリング，蒸着法，めっき法などの知られている半導体デバイスの製造方法を用いて形成する。金属膜４１１は、金属膜４０８と同じ金属を設けるが、応力など考慮してその膜厚を変えてもよい。もちろん、製造するリング状微小部品の仕様に応じ、金属種そのものを変えてもよい。なお、金属膜４１１の形成にあっては、シリコン基板４０１の上下を反転させて、成膜するなどする。
【００５１】
次に、図１９に示すように、シリコンと金属との共晶合金層４１０を形成する。
共晶合金層４１０は、金属膜４０８，金属膜４１１とシリコン酸化膜４０４とを共晶・合金化して得るものである。このため、シリコン基板４０１を加熱する。
加熱温度は、シリコン基板４０１が形状精度を失うような高温とはせず、不活性ガス中で１０００℃未満とする。金属膜４０８，金属膜４１１とシリコン酸化膜４０４とが共晶する温度以上に加熱すると、両者の境界部に共晶合金層４１０が形成される。
次に、すでに説明した技術を用いて、シリコン酸化膜４０９，金属膜４０８，金属膜４１１を除去することで、図２０に示すようになる。
【００５２】
以上、説明した製造工程によって、リング状微小部品が完成する。説明した製造方法は、もちろん一例であり、さまざまに変更を施すことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明の機械構造部品は、軽量でありながら適度の機械的強度を持つ。そして、その製造方法によれば、そのような機械構造部品を正確で再現性がよく効率的に製造することができる。このため、腕時計などの特に小型軽量であり生産性が要求される部品に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明のシリコンと金属の合金表面を持つ機械構造部品を説明する図である。
【図２】本発明のシリコンと金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、溝を形成する様子を説明する平面図および断面図である。
【図３】本発明のシリコンと金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、シリコン基板の上面に金属膜を形成する様子を説明する断面図である。
【図４】本発明のシリコンと金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、シリコン酸化膜を形成する様子を説明する断面図である。
【図５】本発明のシリコンと金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、シリコン基板の下面を除去する様子を説明する断面図である。
【図６】本発明のシリコンと金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、シリコン基板の下面に金属膜を形成する様子を説明する断面図である。
【図７】本発明のシリコンと金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、共晶合金層を形成する様子を説明する断面図である。
【図８】本発明のシリコンと金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、シリコン酸化膜を除去する様子を説明する断面図である。
【図９】本発明のシリコンと金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、部品として分離した様子を説明する断面図である。
【図１０】本発明のシリコンと金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、金属膜を除去する様子を説明する断面図である。
【図１１】本発明のシリコン酸化膜と金属の合金表面を持つ機械構造部品を説明する図である。
【図１２】本発明のシリコン酸化膜と金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、シリコン基板の全面にシリコン酸化膜を形成する様子を説明する断面図である。
【図１３】本発明のシリコン酸化膜と金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、裏面に高融点金属とシリコン酸化膜を形成する様子を説明する断面図である。
【図１４】本発明のシリコン酸化膜と金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、溝を形成する様子を説明する平面図および断面図である。
【図１５】本発明のシリコン酸化膜と金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、溝の側壁にもシリコン酸化膜を形成する様子を説明する断面図である。
【図１６】本発明のシリコン酸化膜と金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、表面のシリコン酸化膜上に金属膜を形成する様子を説明する断面図である。
【図１７】本発明のシリコン酸化膜と金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、表面の金属膜上にシリコン酸化膜を形成する様子を説明する断面図である。
【図１８】本発明のシリコン酸化膜と金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、裏面側の高融点金属とシリコン酸化膜とを除去し、金属膜を形成する様子を説明する断面図である。
【図１９】本発明のシリコン酸化膜と金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、シリコン酸化膜と金属との共晶合金層を形成した様子を説明する断面図である。
【図２０】本発明のシリコン酸化膜と金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、部品として分離した様子を説明する断面図である。
【図２１】特許文献１に示した従来技術を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００５５】
１００，３００ 円盤型微小部品
１０１，３０１ シリコン単結晶
１０３，３０３ 貫通孔
１０２，３１０ 共晶合金層
３０４ シリコン酸化膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板を加工してなる機械構造部品およびその製造方法に関するもので、特に、シリコン半導体基板を加工してなる小型の機械構造部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
精密小型機械を構成する機械構造部品やそれらを組み合わせた構造物は、目的に応じた機械的強度、仕上がり精度、加工性の容易さ、耐腐食性などが要求される。また、機械構造部品のうち、可動する部分の部品は、供給エネルギのロスを抑えるために上述の要求項目の他に軽量化が望まれる。
【０００３】
例えば、時計部品に使用される歯車などである。時刻を報知する際にディスプレイに文字を表示するなどする電子式時計が広く知られているが、近年では、指針を駆動させて時刻を報知する機械式または電子式時計がまた注目されている。
このような時計を構成する機械構造部品は、金属やプラスチックなどを加工して部品化する技術に加え、近年では、ＬＳＩ製造技術を応用し、シリコンなどの半導体基板を加工して部品化する技術が知られるようになってきた。
そのようなＬＳＩ製造技術を応用した機械構造部品は、微細で精度が高く、製造再現性のよい部品を実現することができる。
【０００４】
ＬＳＩ製造に使用される一般的な半導体材料であるシリコンウェハは、表面内部に電子デバイスを形成するため、単結晶で純度が高い。
しかしながら、シリコンウェハは、面方位に従い加工され一般に供給されているため、硬度があるものの、結晶性により面方位方向に割れやすいという特徴を有している。このため、硬いがもろい構造体となり、機械構造部品に用いても、用途が限られてしまう。
【０００５】
このような欠点があっても、上述のごとく、微細で精度が高く、製造再現性のよい部品を実現することができるため、多くの提案がなされている（特許文献１参照。）。
【０００６】
特許文献１に示した従来技術について説明する。図２１はその構造を説明するために、その主旨を逸脱しない範囲で書き直した概略図である。
図２１において、５０１はシリコン製の歯車、５０３は回転軸、５０２は歯車５０１と回転軸５０３との接合部である。なお、接合部５０２と回転軸５０３とは金属で作られる。
【０００７】
特許文献１に示した従来技術は、歯車５０１をシリコンで形成し、力が加わり磨耗寿命が懸念される回転軸５０３および接合部５０２を金属とした構造であり、シリコン金属接合部は割れ防止のため、過熱によりシリコンと金属の合金（共晶）としてある。力の加わる部分を強度が満足されるようにシリコン材を使おうとすると厚いシリコン基板が必要となり、コストアップになることを避けている。なお、歯車５０１は、精度と加工性を考慮し、半導体装置製造技術を用いている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２―２７６７７１号公報（第５頁、第５図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に示した従来技術では、歯車５０１は、回転軸５０３との接合部５０２をシリコンと金属との合金として強化したものであり、特定な部位のみ強度を
増し、歯車５０１の刃先や他の形状を持つ機構部品すべての強度要求を満たすものではない。
機械構造部品は、歯車５０１のように円形で加重のかかりが回転力であるようなものだけでなく、様々な形があり、加わる力の方向もその形状も様々な形が考えられる。また、そのような部品を組み合わせて構造体を製造する際に、機械構造部品自体の強度が確保されていないと組み立て途中での破壊が発生し、歩留まりを低下させてしまう。
【００１０】
したがって、機械構造部品は、その部品の一部分の強度を増しただけでは、その部品を使用する条件が制限されてしまうという問題がある。また、歩留まり低下による製造工程の長期化およびコストアップなどの問題もある。
【００１１】
本発明は上記のような問題を解決するためになされたもので、軽量で必要な機械強度を持つ微小な機械構造部品を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の機械構造部品は、以下のような構成を採用する。
【００１３】
シリコンを主成分とする機械構造部品であって、この機械構造部品は、単結晶シリコンで構成し、その表面全体を金属とシリコンとの合金膜で覆うことを特徴とする。
【００１４】
シリコンを主成分とする機械構造部品であって、この機械構造部品は、単結晶シリコンで構成し、その表面全体を酸化膜と、酸化膜と金属との合金層と、の積層膜で覆うことを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の機械構造部品は、以下のような製造方法を採用する。
【００１６】
単結晶のシリコンを所定の形状に加工する工程と、シリコンの表面を、スパッタリング，蒸着法，めっき法のいずれかを用いて金属の膜で覆う工程と、共晶反応を起こす温度以上まで加熱することにより金属とシリコンとの共晶合金層を形成する工程と、共晶合金層の表面の金属のみエッチングして除去し、シリコンの表面を金属とシリコンとの合金構造とする工程と、を有することを特徴とする。
【００１７】
単結晶のシリコンを所定の形状に加工する工程と、シリコンの表面を酸化してシリコン酸化膜を形成する工程と、シリコン酸化膜の表面を、スパッタリング，蒸着法，めっき法のいずれかを用いて金属の膜で覆う工程と、共晶反応を起こす温度以上まで加熱することにより金属とシリコン酸化膜との共晶合金層を形成する工程と、共晶合金層の表面の金属のみエッチングして除去し、シリコン酸化膜の表面を金属とシリコン酸化膜との合金構造とする工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の機械構造部品は、母体を軽量非金属素材であるシリコン単結晶で作り、その表面層すべてを合金で覆う。このため、シリコン表面の構造を結晶性のない構造に変化させ、シリコン基板が有する特定結晶面方位方向への脆弱性を補完し、部品全体の弾力性と機械強度を増し、弱点である特定結晶面方位による破断面の発生を防止することができる。
また、軽量で表面層が強化された丈夫な部品を作ることができるため、他部品との接合部強度が強化され、自重が少なく、エネルギのロスの少ない可動機構部品を実現することができる。
【００１９】
また、本発明の機械構造部品の製造方法によれば、半導体デバイスの製造技術を使用す
ることで、正確で再現性がよく効率的に部品製造をすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の機械構造部品は、部品形状に形成したシリコン単結晶の表面を合金化し、表面のみを改質させ部品全体の弾力性と機械強度とを強化する。
単結晶シリコンの表面に金属膜を、スパッタリング，蒸着法，めっき法になどの方法で付け、高温にて加熱すると金属とシリコンは反応し共晶が生じる。
この共晶・合金化は、金属とシリコンとの接触面から始まり、互いの組成原子とは異なる性質を示す合金層を作る。
【００２１】
この合金層の性質は、片方がシリコン表面あるいは薄い酸化膜であり、その上に生成した金属膜によって決まる。一般的に、ＬＳＩをはじめとする半導体デバイスを製造する工程で使用される金属膜は、ＡＬ，Ｔｉ，Ｗ，Ａｕ，Ｃｕの金属膜や、ＡＬＳｉ，ＡＬ−Ｓｉ−Ｃｕなどがある。
Ｓｉと融点を比較すると、ＬＳＩの製造プロセス上、融点の高い金属が多いが、Ｓｉの融点１４００℃に比較すると、ＡＬ系，Ａｕ系に限られるが、金属膜自体に合金を選ぶと個別の金属固有の融点より低い融点を持つので、様々な金属の組み合わせができることになる。
合金化した部分は、機械的強度の改善（引っ張り強度、硬さ）、耐食性の向上、磁性や熱膨張率の制御、融点の低下などの効果が得られる。
【００２２】
以下、本発明の機械構造部品は、単結晶シリコン基板を用いてなる時計用の小型部品を例にして説明する。
【００２３】
［構造の説明１：図１］
まず、本発明の機械構造部品の構造について図を用いて詳細に説明する。図１は円盤型微小部品の外観を説明する図である。図１（ａ）は、円盤型微小部品を上面から見た平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＡ−Ａ´断面で見たときの断面図である。図１（ｃ）は円盤型微小部品の断面も表す斜視図である。
【００２４】
図１において、１００は円盤型微小部品、１０１はシリコン単結晶の部分である。これを囲む１０２は共晶合金層である。１０３は貫通孔である。共晶合金層１０２は、例えば、アルミニウムとシリコンとの共晶合金層である。貫通孔１０３は、円盤型微小部品の略中央に設けてあり、その内壁も共晶合金層１０２で覆われている。
円盤型微小部品１００は、特に限定しないが、時計を構成する所定の回転軸に貫通孔１０３を嵌合してなる歯車として用いることができる。
【００２５】
もちろん、円盤型微小部品１００の母体であるシリコン単結晶１０１は、精密加工ができる非金属であれば、単結晶シリコンだけでなく多結晶シリコン、非晶質シリコンなどを用いることができる。
【００２６】
円盤型微小部品１００は、その全面を共晶合金層１０２で覆われており、全体をシリコン単結晶基板で構成する場合に比べて、機械的強度が向上している。このため、シリコン単結晶で構成するよりもその厚さを薄くすることができ、軽量、小体積とすることができる。
【００２７】
［製造方法の説明１：図２〜図１０］
次に、本発明の機械構造部品の製造方法について図を用いて詳細に説明する。機械構造部品としては、リング形状を有する微小部品を例にして説明する。このような部品は、時計を構成する所定の回転軸に嵌合してなるスリーブ部材や、歯車や他の部材との間に挿入
するスペーサとして用いるものである。
図２（ａ）は、リング状微小部品を上面から見た平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すＢ−Ｂ´断面で見たときの断面図である。図３〜図１０も、図２（ｂ）と同様な断面図である。
【００２８】
図２（ａ）に示すように、単結晶のシリコン基板２０１の所定の部分にリング状微小部品の形状を規定するための溝２０２ａ，２０２ｂを設ける。
シリコン基板２０１は、精密加工ができるように鏡面に研磨されており、シリコン基板２０１の上部にホトリソグラフィとシリコンのエッチング技術とを用いて、２つの溝２０２ａ，２０２ｂを形成する。溝２０２ａの周囲に離間して溝２０２ｂを設ける。
溝２０２ｂに囲まれた部分がリング状微小部品となり、溝２０２ａがリング状微小部品の中心部分、例えば、他の部材との貫通孔となる。
【００２９】
なお、この溝２０２ａ，２０２ｂの深さは、形成するリング状微小部品の仕様により異なる。例えば、その部品の厚さに応じて変更されるものである。もちろん、貫通溝ではなく、シリコン基板２０１の底面側までは貫通させない。シリコン基板２０１の強度が保たれるように溝２０２ａ，２０２ｂの溝底部を残しておく。
【００３０】
図３に示すように、シリコン基板２０１の表面に金属膜２０５を形成する。なお、シリコン基板２０１の表面には、薄い自然酸化が生成されるが、ここでは省略している。
金属膜２０５は、スパッタリング，蒸着法，めっき法などの知られている半導体デバイスの製造方法を用いて形成することができる。金属膜２０５は、溝２０２ａ，２０２ｂの溝底部や内壁にも形成している。
金属膜２０５は、例えば、アルミニウムを用いることができる。もちろん、単一の金属だけでなく、数種の金属を積層した膜や、あらかじめアルミニウムにシリコンや銅などの他元素を付加した金属膜でもよく、シリコンに対する共晶、合金反応を起こす温度が、シリコン単結晶基板の変形を起こすことのない範囲で選択できる。
【００３１】
次に、図４に示ように、シリコン基板２０１上の金属膜２０５の表面に、シリコン酸化膜２０４を形成する。
シリコン酸化膜２０４は、溝２０２ａ，２０２ｂも埋めてしまうように、例えば、常圧ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成する。
このシリコン酸化膜２０４は、後の工程で、シリコン基板２０１の形状保持手段となるので、できだけ厚く生成する方がよい。
【００３２】
次に、図５に示すように、シリコン基板２０１の裏面を削り、溝２０２ａ，２０２ｂの溝底部をも除去する。
シリコン基板２０１の下面（溝２０２ａ，２０２ｂを設けていない面）を、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法やウェットまたはドライエッチング技術を用いてシリコンエッチングする。もちろん、双方を組み合わせてシリコンを除去してもよい。シリコン基板２０１の下面を削る量は、溝２０２ａ，２０２ｂの溝底部に達し、この溝が貫通孔になるまでとする。
ＣＭＰ法とウェットまたはドライエッチング技術を組み合わせる方法では、先にＣＭＰ法で荒く厚く削り、溝２０２ａ，２０２ｂの内壁の金属膜２０５を検出してエッチングストップをかけ、精度よく削り量をコントロールすることができる。
【００３３】
シリコン基板２０１の上面のシリコン酸化膜２０４は、シリコン基板２０１の形状保持手段となっているので、シリコン基板２０１の下面のシリコンの除去が溝２０２ａ，２０２ｂの溝底部に達しても、シリコン基板２０１がばらばらになることはない。
【００３４】
次に、図６に示すように、シリコン基板２０１の下面に金属膜２０７を形成する。
金属膜２０７は、スパッタリング，蒸着法，めっき法などの知られている半導体デバイスの製造方法を用いて形成することができる。金属膜２０５は、金属膜２０５と同じ金属を設けるが、応力など考慮してその膜厚を変えてもよい。もちろん、製造するリング状微小部品の仕様に応じて、金属種そのものを変えてもよい。
金属膜２０７の形成にあっては、シリコン基板２０１の上下を反転させて、成膜するなどする。
【００３５】
次に、図７に示すように、シリコンと金属との共晶合金層２０６を形成する。
共晶合金層２０６は、金属膜２０５，金属膜２０７とシリコン基板２０１とを共晶・合金化して得るものである。このため、シリコン基板２０１を加熱する。
加熱温度は、シリコン基板２０１が形状精度を失うような高温とはせず、不活性ガス中で１０００℃未満とする。金属膜２０５，金属膜２０７とシリコン基板２０１とが共晶する温度以上に加熱すると、両者の境界部に共晶合金層２０６が形成される。
【００３６】
次に、図８に示すようにシリコン酸化膜２０４を除去する。
シリコン酸化膜２０４は、ドライエッチングで選択的にエッチングする。すでに説明したように、シリコン基板２０１の上面のシリコン酸化膜２０４は、シリコン基板２０１の形状保持手段となっているので、シリコン酸化膜２０４の除去により、リング状微小部品は、この段階でばらばらに切り離された状態になる（図９）。
このような状態でも、シリコン基板２０１が露出している全ての面は、金属膜２０５または金属膜２０７で覆われ、これら金属膜とシリコン基板２０１との境界部には、共晶合金層２０６が形成されているので、ばらばらになっても強度は高く、破損することはない。
【００３７】
次に、図１０に示すように金属膜２０５，金属膜２０７を除去する。
リング状微小部品の表面を覆う金属膜２０５，金属膜２０７をエッチングにて除去する。これら金属膜は、アルミニウムであればリン酸を用いてエッチングすることができる。
【００３８】
以上、説明した製造工程によって、リング状微小部品が完成する。説明した製造方法は、もちろん一例であり、さまざまに変更を施すことができる。
例えば、常圧ＣＶＤ法を用いてシリコン酸化膜２０４を形成するとき、溝２０２ａ，２０２ｂをすべて埋めてしまわなくてもよい。その場合、シリコン酸化膜２０４の形成前に、溝２０２ａ，２０２ｂにＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ Ｇｌａｓｓ）膜を塗布形成して埋めてしまうのである。このようにすれば、溝の埋め込みをよくし、平坦なＣＶＤ表面を得ることができれば良好な保持材としての役割を得る効果がある。
【００３９】
［構造の説明２：図１１］
本発明の機械構造部品の構造として、その表面をシリコン酸化膜と金属の合金とした部品について、図を用いて詳細に説明する。図１１は円盤型微小部品の外観を説明する図である。図１１（ａ）は、円盤型微小部品を上面から見た平面図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示すＣ−Ｃ´断面で見たときの断面図である。図１１（ｃ）は円盤型微小部品の断面も表す斜視図である。
【００４０】
図１１において、３００は円盤型微小部品、３０１はシリコン単結晶の部分である。これを囲む３０４はシリコン酸化膜であり、３１０は共晶合金層である。３０３は貫通孔である。共晶合金層３１０は、例えば、アルミニウムとシリコン酸化膜との共晶合金層である。貫通孔３０３は、円盤型微小部品の略中央に設けてあり、その内壁も共晶合金層３１０で覆われている。
円盤型微小部品３００は、特に限定しないが、時計を構成する所定の回転軸に貫通孔３０３を嵌合してなる歯車として用いることができる。
【００４１】
もちろん、円盤型微小部品３００の母体であるシリコン単結晶３０１は、精密加工ができる非金属であれば、単結晶シリコンだけでなく多結晶シリコン、非晶質シリコンなどを用いることができる。
【００４２】
円盤型微小部品３００は、その全面を共晶合金層３１０で覆われており、全体をシリコン単結晶基板で構成する場合に比べて、機械的強度が向上している。このため、シリコン単結晶で構成するよりもその厚さを薄くすることができ、軽量、小体積とすることができる。
【００４３】
［製造方法の説明２：図１２〜図２０］
次に、本発明の機械構造部品の構造として、表面をシリコン酸化膜と金属との合金とした部品の製造方法について、図を用いて詳細に説明する。機械構造部品としては、リング形状を有する微小部品を例にして説明する。このような部品は、時計を構成する所定の回転軸に嵌合してなるスリーブ部材や、歯車や他の部材との間に挿入するスペーサとして用いるものである。
【００４４】
まず、シリコン基板の表面にシリコン酸化膜を形成する。
図１２はシリコン基板の一部を示した断面図である。図１２に示すように、シリコン基板４０１を８００〜１０００℃の酸素を含む雰囲気中で熱酸化し、シリコン酸化膜４０４を表面に形成する。
次に、図１３に示すように高融点金属膜４０５と酸化膜４０６を形成する。
シリコン基板４０１の裏面にチタンなどの高融点金属膜４０５をスパッタ法などで形成し、その上に常圧ＣＶＤ法あるいはＰＶＤ法にて酸化膜３０６を成膜する。
【００４５】
図１４（ａ）は、リング状微小部品を上面から見た平面図である。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に示すＤ−Ｄ´断面で見たときの断面図である。図１５〜図２０も、図１４（ｂ）と同様な断面図である。
図１４に示すように、すでに説明した製造工程を経ているためシリコン基板４０１の表面には、シリコン酸化膜４０４と高融点金属膜４０５と酸化膜４０６とが形成してあるが、そのシリコン基板４０１の所定の部分に、リング状微小部品の形状を規定するための溝４０７ａ，４０７ｂを設ける。
シリコン基板４０１上のシリコン酸化膜４０４の上部からホトリソグラフィとシリコン酸化膜エッチング技術、シリコンのエッチング技術を用いて、溝４０７ａ，４０７ｂを形成する。
すでに説明した例と同じく、溝４０７ｂに囲まれた部分がリング状微小部品となり、溝４０７ａがリング状微小部品の中心部分、例えば、他の部材との貫通孔となる。
【００４６】
なお、この溝４０７ａ，４０７ｂは、シリコン基板４０１の裏面に設けたシリコン酸化膜４０４までエッチングする。このとき、高融点金属膜４０５はエッチングストッパとなる。
このように、高融点金属膜４０５を設けることにより、下面のでシリコン基板４０１がエッチングされて薄くなることを防ぐ。
高融点金属膜４０５とそれに重ねて設ける酸化膜４０６は、シリコン基板４０１の形状保持手段となり、製造工程中のシリコン基板４０１の強度が保たれる。
【００４７】
次に、図１５に示すように、溝４０７ａ，４０７ｂの内壁にシリコン酸化膜を形成する。
酸素雰囲気中で酸化すると、シリコン基板４０１の溝４０７ａ，４０７ｂの内壁にシリコン酸化膜が形成される。このシリコン酸化膜は、すでに形成してあるシリコン酸化膜４０４と一体となり、表面を覆う。なお、酸化は１０００℃以下とし、シリコン基板４０１の基板構造が変形しない温度で行う。
【００４８】
次に、図１６に示すように、シリコン基板４０１の表面に金属膜４０８を形成する。
金属膜４０８は、スパッタリング，蒸着法，めっき法などの知られている半導体デバイスの製造方法を用いて形成することができる。金属膜４０８は、溝４０７ａ，４０７ｂの溝底部や内壁にも形成している。
金属膜４０８は、例えば、アルミニウムを用いることができる。もちろん、単一の金属だけでなく、数種の金属を積層した膜や、あらかじめアルミニウムにシリコンや銅などの他元素を付加した金属膜でもよく、シリコンに対する共晶、合金反応を起こす温度が、シリコン単結晶基板の変形を起こすことのない範囲で選択できる。
【００４９】
次に、図１７に示ように、シリコン基板４０１上の金属膜４０８の表面に、シリコン酸化膜４０９を形成する。
シリコン酸化膜４０９は、溝４０７ａ，４０７ｂも埋めてしまうように、例えば、常圧ＣＶＤ法やＰＶＤ法を用いて形成する。
このシリコン酸化膜４０９は、後の工程で、シリコン基板４０１の形状保持手段となるので、できだけ厚く生成する方がよい。
【００５０】
次に、図１８に示すように、シリコン基板４０１の下面に金属膜４１１を形成する。
まず、シリコン基板４０１の下面に設けてある高融点金属膜４０５と酸化膜４０６とをドライエッチングで除去し、その後、金属膜４１１を、スパッタリング，蒸着法，めっき法などの知られている半導体デバイスの製造方法を用いて形成する。金属膜４１１は、金属膜４０８と同じ金属を設けるが、応力など考慮してその膜厚を変えてもよい。もちろん、製造するリング状微小部品の仕様に応じ、金属種そのものを変えてもよい。なお、金属膜４１１の形成にあっては、シリコン基板４０１の上下を反転させて、成膜するなどする。
【００５１】
次に、図１９に示すように、シリコンと金属との共晶合金層４１０を形成する。
共晶合金層４１０は、金属膜４０８，金属膜４１１とシリコン酸化膜４０４とを共晶・合金化して得るものである。このため、シリコン基板４０１を加熱する。
加熱温度は、シリコン基板４０１が形状精度を失うような高温とはせず、不活性ガス中で１０００℃未満とする。金属膜４０８，金属膜４１１とシリコン酸化膜４０４とが共晶する温度以上に加熱すると、両者の境界部に共晶合金層４１０が形成される。
次に、すでに説明した技術を用いて、シリコン酸化膜４０９，金属膜４０８，金属膜４１１を除去することで、図２０に示すようになる。
【００５２】
以上、説明した製造工程によって、リング状微小部品が完成する。説明した製造方法は、もちろん一例であり、さまざまに変更を施すことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明の機械構造部品は、軽量でありながら適度の機械的強度を持つ。そして、その製造方法によれば、そのような機械構造部品を正確で再現性がよく効率的に製造することができる。このため、腕時計などの特に小型軽量であり生産性が要求される部品に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明のシリコンと金属の合金表面を持つ機械構造部品を説明する図である。
【図２】本発明のシリコンと金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、溝を形成する様子を説明する平面図および断面図である。
【図３】本発明のシリコンと金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、シリコン基板の上面に金属膜を形成する様子を説明する断面図である。
【図４】本発明のシリコンと金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、シリコン酸化膜を形成する様子を説明する断面図である。
【図５】本発明のシリコンと金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、シリコン基板の下面を除去する様子を説明する断面図である。
【図６】本発明のシリコンと金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、シリコン基板の下面に金属膜を形成する様子を説明する断面図である。
【図７】本発明のシリコンと金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、共晶合金層を形成する様子を説明する断面図である。
【図８】本発明のシリコンと金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、シリコン酸化膜を除去する様子を説明する断面図である。
【図９】本発明のシリコンと金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、部品として分離した様子を説明する断面図である。
【図１０】本発明のシリコンと金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、金属膜を除去する様子を説明する断面図である。
【図１１】本発明のシリコン酸化膜と金属の合金表面を持つ機械構造部品を説明する図である。
【図１２】本発明のシリコン酸化膜と金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、シリコン基板の全面にシリコン酸化膜を形成する様子を説明する断面図である。
【図１３】本発明のシリコン酸化膜と金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、裏面に高融点金属とシリコン酸化膜を形成する様子を説明する断面図である。
【図１４】本発明のシリコン酸化膜と金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、溝を形成する様子を説明する平面図および断面図である。
【図１５】本発明のシリコン酸化膜と金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、溝の側壁にもシリコン酸化膜を形成する様子を説明する断面図である。
【図１６】本発明のシリコン酸化膜と金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、表面のシリコン酸化膜上に金属膜を形成する様子を説明する断面図である。
【図１７】本発明のシリコン酸化膜と金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、表面の金属膜上にシリコン酸化膜を形成する様子を説明する断面図である。
【図１８】本発明のシリコン酸化膜と金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、裏面側の高融点金属とシリコン酸化膜とを除去し、金属膜を形成する様子を説明する断面図である。
【図１９】本発明のシリコン酸化膜と金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、シリコン酸化膜と金属との共晶合金層を形成した様子を説明する断面図である。
【図２０】本発明のシリコン酸化膜と金属の合金表面を持つ機械構造部品の製造方法を説明する断面図であって、部品として分離した様子を説明する断面図である。
【図２１】特許文献１に示した従来技術を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００５５】
１００，３００ 円盤型微小部品
１０１，３０１ シリコン単結晶
１０３，３０３ 貫通孔
１０２，３１０ 共晶合金層
３０４ シリコン酸化膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンを主成分とする機械構造部品であって、
前記機械構造部品は、単結晶シリコンで構成し、その表面全体を金属とシリコンとの合金膜で覆うことを特徴とする機械構造部品。
【請求項２】
シリコンを主成分とする機械構造部品であって、
前記機械構造部品は、単結晶シリコンで構成し、その表面全体を酸化膜と、酸化膜と金属との合金層と、の積層膜で覆うことを特徴とする機械構造部品。
【請求項３】
単結晶のシリコンを所定の形状に加工する工程と、
前記シリコンの表面を、スパッタリング，蒸着法，めっき法のいずれかを用いて金属の膜で覆う工程と、
共晶反応を起こす温度以上まで加熱することにより前記金属と前記シリコンとの共晶合金層を形成する工程と、
前記共晶合金層の表面の前記金属のみエッチングして除去し、前記シリコンの表面を前記金属と前記シリコンとの合金構造とする工程と、
を有することを特徴とする機械構造部品の製造方法。
【請求項４】
単結晶のシリコンを所定の形状に加工する工程と、
前記シリコンの表面を酸化してシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記シリコン酸化膜の表面を、スパッタリング，蒸着法，めっき法のいずれかを用いて金属の膜で覆う工程と、
共晶反応を起こす温度以上まで加熱することにより前記金属と前記シリコン酸化膜との共晶合金層を形成する工程と、
前記共晶合金層の表面の前記金属のみエッチングして除去し、前記シリコン酸化膜の表面を前記金属と前記シリコン酸化膜との合金構造とする工程と、
を有することを特徴とする機械構造部品の製造方法。
【請求項１】
シリコンを主成分とする機械構造部品であって、
前記機械構造部品は、単結晶シリコンで構成し、その表面全体を金属とシリコンとの合金膜で覆うことを特徴とする機械構造部品。
【請求項２】
シリコンを主成分とする機械構造部品であって、
前記機械構造部品は、単結晶シリコンで構成し、その表面全体を酸化膜と、酸化膜と金属との合金層と、の積層膜で覆うことを特徴とする機械構造部品。
【請求項３】
単結晶のシリコンを所定の形状に加工する工程と、
前記シリコンの表面を、スパッタリング，蒸着法，めっき法のいずれかを用いて金属の膜で覆う工程と、
共晶反応を起こす温度以上まで加熱することにより前記金属と前記シリコンとの共晶合金層を形成する工程と、
前記共晶合金層の表面の前記金属のみエッチングして除去し、前記シリコンの表面を前記金属と前記シリコンとの合金構造とする工程と、
を有することを特徴とする機械構造部品の製造方法。
【請求項４】
単結晶のシリコンを所定の形状に加工する工程と、
前記シリコンの表面を酸化してシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記シリコン酸化膜の表面を、スパッタリング，蒸着法，めっき法のいずれかを用いて金属の膜で覆う工程と、
共晶反応を起こす温度以上まで加熱することにより前記金属と前記シリコン酸化膜との共晶合金層を形成する工程と、
前記共晶合金層の表面の前記金属のみエッチングして除去し、前記シリコン酸化膜の表面を前記金属と前記シリコン酸化膜との合金構造とする工程と、
を有することを特徴とする機械構造部品の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２００９−７９２３４（Ｐ２００９−７９２３４Ａ）
【公開日】平成２１年４月１６日（２００９．４．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２４７１６２（Ｐ２００７−２４７１６２）
【出願日】平成１９年９月２５日（２００７．９．２５）
【出願人】（３０７０２３３７３）シチズン時計株式会社 (227)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月１６日（２００９．４．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２５日（２００７．９．２５）
【出願人】（３０７０２３３７３）シチズン時計株式会社 (227)
【Ｆターム（参考）】
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