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硅技术

21世纪初以来,硅成为了制表业最具前景的材质。雅典表与Mimotec协作创立Sigatec企业,专业研发硅微机械组件,生产微米级精度的客制化零件。这些专为腕表打造的组件令单晶硅的出色特性得以惠及众人。


硅是一种类金属。这一化学元素酷似金属,但又不具备后者的所有特性,特别是硬度。它广泛应用于以半导体、晶体管和微处理器制造为主的行业,是刻蚀微型和集成电路的基础材料。硅具有的一系列特性令其适用于高精度微机械领域,包括制表领域。

The Material

材料

Sigatec使用的是硅制成的晶圆片,其直径约为15厘米,厚度仅为数十分之一毫米。晶圆由硅锭切割而成,而硅锭则是熔炼厂合成的产物。最大的硅锭高度可达两米,由单晶体构成,以确保材质均匀、品质上乘。熔炉厂将硅晶体切割和抛光为硅晶圆,再将它们送去加工。这需要花费数百法郎。这一材料费还是已经使用高科技进行成本控制的结果。

硅需要经过特别的加工工序,才能被塑造成理想零件。深反应离子刻蚀(DRIE)工艺在短短10年间,在制表业占据了一席之地。该加工流程的操作区对最终效果的呈现起着至关重要的决定性作用。硅和微处理器一样,都诞生于洁净室中。要想进入Sigatec的主要操作区,每个人都需身着可保护工坊的特殊装束。增压空气室以真空吸尘的方式吸走所有悬浮在空中、附着于您的皮肤、衣服、头发或胡子上的微粒,并将它们隔绝在防静电合成织物制成的屏障后。

Deep Reactive Ion Etching
The Light

光照

首先也是最重要的,在硅晶圆的表面涂覆一层光敏环氧树脂。使用一个类似胶片冲洗机的机器,把光掩模嵌在硅晶圆上。光掩模相当于一个刻画着理想图形的模板。用紫外线短暂照射光掩模后,紫外线会选择性辐射涂有光敏树脂的区域,随即将光掩模的形状复刻在硅晶圆上。剩余的树脂可通过化学试剂清洗干净。

离子和等离子

接着就来到了深度刻印阶段,又称刻蚀阶段。要将硅晶圆打造成与理想组件相适的几何形状,需使用两台等离子机器。机器的外形与袖珍化学反应器相像,价格为一百万珐琅一台。密闭反应腔的环境类似外太空,接近真空状态。依次向反应腔输送一些刻蚀气体。首先是刻蚀硅的等离子,它可以溶解未受掩模保护的区域。刻蚀深度达到三分之一微米后,将等离子排出反应腔。接着向硅晶圆喷涂一层蔽覆层,这种聚合物将覆盖整个刻印表面,包括侧面和衬底。再用离子轰击衬底,随后重新实施等离子刻蚀步骤。连续的超微层刻蚀可以使硅晶片达到理想厚度。这一步骤亦是Sigatec使用并掌握的Bosch专利技术的核心。.

Ions and plasma
Multileveled

多层处理

为了打造出这些复杂的多层零件,同一个硅晶圆可以在不同的制造阶段贴覆多个掩模。将硅晶圆从等离子机中取出,覆盖新掩模后重新接受辐射,再放入刻蚀机中。每一次操作得到的几何图案可实现±2微米的精度。事实上,刻蚀过程并非完全是三维的,而是2.5维,因为掩模上的几何图形转印在了硅晶圆上。Sigatec掌握了深反应离子刻蚀倒角打磨工艺,倒角打磨工序在刻蚀后实施。此外,Sigatec的一大最新创新在于微零件焊接。如今,两个表面可以在二氧化硅的帮助下在既定接触点实现焊接。 二氧化硅是在高温反应炉内注入氧气后生成的产物。它可以帮助制造商打造具有复杂形状的整块组件,就像打造众多层叠式零件构成的拼图。

润饰

硅晶圆刻蚀完毕后,把其上残留的环氧树脂清除干净。现在就迎来了最后一道制作工序。将充满气体的反应炉加热至某一温度(具体温度数仍为机密),炉内的组件表面会形成一层二氧化硅。该做法可以增强零件的硬度,并使零件在温度发生变化时,依旧能彰显难能可贵的稳定性。虽然硅的弹性系数会随着温度的上升而下降(和大多数材质一样),但二氧化硅的弹性却会越来越强。所以,对于这一由两种材料构成的合成品来说,其弹性指数几乎不会受到温度变化的影响。组件的最后上色也是在该阶段完成,其色彩丰富,从浅紫色到灰石色各异。润饰后的组件经过酸蚀处理与硅晶圆衬底分离。

The Finishing
The Options

可选工序

作为附加工序,润饰后的硅组件可以包覆一层单晶钻石。Sigatec在一个集合数道光束的机器中层层堆叠块状的纯碳晶体——也就是钻石!这一工序可以增强零件的硬度,并为其增添独特元素以及Sigatec客制化加工的特色个性化元素。

能量消耗

深反应离子刻蚀(DRIE)需要消耗大量能量:空气过滤、浴处理、温度管理、刻蚀机反应炉的耗能,以及等离子机和用于营造真空环境的涡轮增压机的耗能。因此,Sigatec建了地热井,以最大程度减小能源消耗并减轻对环境的影响。

The Energy Outcome

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