Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Spiralfeder für mechanische Uhrwerke.

Stand der Technik Ein mechanisches Uhrwerk weist als zentrale Bestandteile ein Federhaus mit Zugfeder, Räderwerk, Hemmung und Schwingsystem (Unruh) auf. Dabei stellt das Federhaus mit Zugfeder den Antrieb des Uhrwerks zur Verfügung. Die Kraftübertragung erfolgt beginnend beim Federhaus über das Räderwerk zum Ankerrad, das einen Bestandteil der Hemmung darstellt. Das Räderwerk treibt die Zeiger der Uhr an und übersetzt die in der Zugfeder gespeicherte Federkraft in Drehbewegungen verschiedener Geschwindigkeiten, wodurch Sekunden, Minuten, Stunden usw. angezeigt werden.

Die Unruh umfasst einen Schwingkörper, welcher mittels einer Unruhwelle schwenkbar um eine Drehachse gelagert ist. Ferner ist eine Spiralfeder vorgese- hen, die zusammen mit der Masse des Schwingkörpers das schwingungsfähige und taktgebende System bildet. Schließlich umfasst die Unruh eine Vorrichtung zur Gangregulierung, wie beispielsweise einen Rücker, mit welchem die Schwingeigenschaft der Spiralfeder verändert und damit der gewünschte korrekte Gang der Uhr eingestellt werden kann. Der exakte Gang der Uhr basiert auf dem möglichst gleichmäßigen Hin- und Herschwingen der Spiralfeder um ihre Gleichgewichtsposition. Dabei greift der Anker abwechselnd hemmend und freigebend so in das Ankerrad ein, dass die Bewegung stets in gleichem Zeitmaß pulsiert. Ohne stetige Energiezufuhr würde die Unruh jedoch ihre Bewegung einstellen. Deshalb wird kontinuierlich die vom Federhaus kommende Kraft über das Räderwerk auf die Unruh übertragen. Die Hemmung leitet die Kraft über Ankerrad und Anker an die Unruh weiter. Beim Verlassen seiner Gleichgewichtsposition bewirkt der Schwingkörper der Unruh ein Vorspannen der Spiralfeder, wodurch ein Rückholdrehmoment erzeugt wird, das die Spiralfeder, nach ihrer Freigabe durch den Anker, zur Rückkehr in ihre Gleichgewichtsposition veranlasst. Dadurch wird dem Schwingkörper eine gewisse kinetische Energie verliehen, weshalb er über seine Gleichgewichtsposition hinaus schwingt, bis ihn das Gegendrehmoment der Spiralfeder anhält und zum Rück- schwingen zwingt. Die Spiralfeder reguliert somit die Schwingungsperiode der Unruh und damit den Gang der Uhr.

Eine mechanische Uhr besteht aus einer Vielzahl kleinster Funktionselemente, die zum Erreichen einer hohen Ganggenauigkeit der Uhr exakt aufeinander abgestimmt und mit hoher Genauigkeit geformt werden müssen. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von Funktionselementen, insbesondere auch von Spiralfedern, für mechanische Uhren bekannt.

Nachfolgend wird Siliziumoxid bzw. Siliziumdioxid als gleichbedeutende Begriffe verwendet.

Für die Herstellung der Funktionselemente bzw. Spiralfedern für mechanische Uhren werden Si-Wafer (Si-Wafer) verwendet. Diese Si-Wafer bestehen im Wesentlichen aus isotropen Silizium-Partikeln, die auf verschiedene Arten hergestellt werden können. Als Nebenprodukt fallen bei der Herstellung von Silizium-Granulat mit Hilfe von Wirbelschicht-Verfahren die gewünschten Silizium-Partikel mit einem Durchmesser von 0,01 pm bis 10 pm an. Bei diesen Verfahren entsteht neben dem grobkörnigen Granulat auch sehr feines Siliziumpulver, dessen Partikelgrößen in dem gewünschten Bereich liegen.

Siliziumpulver mit Korngrößen im Mikrometer- und Sub-Mikrometer-Bereich lässt sich auch aus Silan-Gas durch Hochtemperatur-Pyrolyse, nach dem Siemens- Verfahren, durch Wasserstoff-Reduktionsverfahren unter Einsatz von Tetrachlor- silanen oder durch andere chemische Gasphasenabscheidungsverfahren erzeugen. Aus dem Siliziumpulver wird mittels eines Sinterprozesses ein nanopartikulärer Probenkörper hergestellt. Hierzu offenbart die internationale Patentanmeldung WO 2010/097228 ein Spark-Plasma-Sintern. Die deutsche Veröffentlichung DE 1 1 2009 000 068 T5 der internationalen Patentanmeldung WO 2009/155849 offenbart den Einsatz von Siliziumpulver mit einem Korndurchmesser von 0, 1 pm bis 1000 pm bei kaltisostatischen oder heißisostatischen Sinterprozess.

Die DE 10 2008 061 182 A1 offenbart die Herstellung von Spiralfedern durch Laserschneiden aus der Nutzschicht eines Silizium-Wafers. Aus der EP 1 422 436 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Spiralfedern für das Schwingsystem von me- chanischen Uhren aus einkristallinem Silizium bekannt.

Aus der EP 1 422 436 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Spiralfedern für das Schwingsystem von mechanischen Uhren aus einkristallinem Silizium bekannt.

Die DE 101 27 733 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Schrauben- oder Spiralfedern aus kristallinem, insbesondere einkristallinem Silizium durch eine me- chanische abtragende Bearbeitung.

Die DE 10 2008 029 429 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Spiralfedern für Uhrwerke, bei dem die Spiralfedern durch Ätzverfahren mit Hilfe von Ätzmasken aus einem Silizium-Ausgangsmaterial (Si-Wafer) freigelegt werden.

Schließlich ist aus der EP 2 201 428 A1 eine Spiralfeder bekannt, die durch Aus- schneiden oder Ätzen aus einem durch epitaktisches Abscheiden von polykristallinem Silizium erhaltenen plattenförmigen Substrat hergestellt wird. Das epitaktische Abscheiden des polykristallinen Siliziums erfolgt dabei mit Hilfe eines CVD- Verfahrens. Die so erhaltenen Spiralfedern weisen ein ausgezeichnetes Schwingverhalten auf und bewirken damit eine hohe Ganggenauigkeit des Uhrwerks. Aller- dings kommt es bei der Herstellung der Spiralfedern häufig zu Brüchen und Rissen der Federn, was einen hohen Materialausschuss nach sich zieht. Die Herstellung von Spiralfedern mit ausgezeichnetem Schwingverhalten bei gleichzeitig möglichst geringen Materialverlusten durch Ausschuss stellt im Bereich der mechanischen Uhrwerke ein zentrales Ziel dar.

Die Dicke der Beschichtung aus Siliziumoxid bzw. Siliziumdioxid, die für ein gege- benes Funktionselement erforderlich ist, um eine optimale Temperaturkompensation zu erreichen, kann vom Fachmann problemlos berechnet oder einfach experimentell bestimmt werden. Die so berechneten bzw. bestimmten Schichtdicken für den Siliziumoxid-Überzug sind tabellarisch verfügbar. Üblich sind Beschichtungen mit Dicken von 1 bis 8 pm, besonders bevorzugt 2 bis 5 pm. Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Aufbringen einer Silizi- umoxid-Beschichtung sind alle sehr zeitaufwändig. Die Durchführung einer thermischen Oxidation mit Sauerstoff zur Erzeugung einer üblichen Schichtdicke von 3 bis 8 pm dauert bei Temperaturen von über 1000°C in der Regel 40 bis 80 Stunden. Es ist daher wünschenswert, dass Funktionselemente einer mechanischen Uhr derart hergestellt werden können, dass sie in ihrem Bewegungsverhalten im Idealfall keine Temperaturabhängigkeit zeigen. Für den Fall, dass die thermische Oxidation der Spiralfeder aus Silizium mit einem CVD-Verfahren durchgeführt wird, erfolgt dies bei Temperaturen und 1000°C.

Nachfolgend wird ein weiteres Problem bezüglich des inhomogenen Schwingver- haltens durch inhomogene Größenverteilung der Kristalle in der Spiralfeder beschrieben. Es ist ein bekannter Nachteil, dass die Spiralfeder in verschiedenen Teilbereichen der Spiralfeder bzw. in Teilbereichen einer Windung der Spiralfeder nicht homogen schwingt bzw. zum Tordieren neigt. Eine weitere Ursache dafür sind, neben den bereits oben genannten Ursachen, lokale Unterschiede in der Bie- gesteifigkeit der Spiralfeder, die durch eine unterschiedliche Größenverteilung der Kristalle in der Spiralfeder hervorgerufen sind. Dies wiederum verursacht unterschiedliche Werte für den Elastizitätsmodul (E-Modul) über den Querschnitt der Spiralfeder aufgrund der bekannten Formel

Biegesteifigkeit = (Flächenträgheitsmoment I) ^* (E-Modul E) = I ^* E [Nmm ² ]. Dabei ist I wesentlich von der Geometrie bzw. dem Querschnitt der Spiralfeder abhängig, und E ist wesentlich von der Orientierung der Kristalle im Raum bzw. im Querschnitt der Spiralfeder abhängig. Beim Aufwachsen der Silizium-Kristalle (Si- Kristalle) des Hauptkörpers der Spiralfeder bilden sich bevorzugt bestimmte Raum- richtungen (Orientierungen) dieser Kristalle aus, wie Fig. 18 zeigt. Die Silizium- Kristalle des Hauptkörpers der Spirale, wie in Fig. 18 (Stand der Technik) und Fig. 19 (Erfindung) dargestellt, können durch die dem Fachmann bekannten Verfahren hergestellt sein, wie beispielsweise gerichtetes Aufwachsen, beispielsweise Epitaxie, Kristallisation bzw. Umkristallisation oder Kristallzucht. Die Kristalle sind in ei- nigen Figuren vereinfacht als Vier- bzw. Rechteck gezeichnet, können isotrop als auch anisotrop sein. Weitere Verfahren zur Herstellung der Kristalle, ist das Spark- Plasma-Sintern oder eine Laserkristallisation.

Die E-Modul Verteilung hat eine direkte Auswirkung auf die Biegesteifigkeit. Bei einer Biegung der Spiralfeder biegt sich jener Spiralabschnitt mit geringerem E-Modul stärker als ein solcher mit höherem E-Modul. Liegt ein solcher E-Modul Unterschied innerhalb einer Windung einer Spiralfeder vor, so neigt diese zum Tordieren.

Des Weiteren kann, wie die in Figur 18 dargestellte inhomogene Verteilung der Si- Kristalle zeigt, eine nicht kompensierbare Temperaturdrift ergeben, da die für die Kompensation der Temperaturdrift erforderliche SiO ₂ -Beschichtung nicht ausreicht, um die Temperaturdrift zu kompensieren. Wie jedoch bereits an anderer Stelle dargelegt, wirkt sich die Temperaturabhängigkeit des Bewegungsverhaltens der Spiralfeder nachteilig auf das Schwingungsverhalten aus. Bekanntlich wird üblicherweise für die Kompensation der Temperaturdrift eine durchschnittliche Schichtdicke der Siliziumdioxid-Beschichtung festgesetzt. Es kann jedoch solche Bereiche der Spi- ralfeder geben, in denen die lokale Verteilung der Si-Kristalle und deren Orientierung derart ist, dass die richtungsabhängige Temperaturdrift so stark ausgeprägt ist, dass eine beabsichtigte Temperaturkompensation nicht ausreicht. Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist, eine Spiralfeder für mechanische Uhrwerke mit ausgezeichnetem Schwingverhalten bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Spiralfeder gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Aspekte, Details und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren.

Eine Spiralfeder umfasst bekanntlich Windungen, wobei ein Querschnitt einer Windung eine Höhe und eine Breite hat. An einen Grenzbereich der Spiralfeder ist mindestens eine Schicht Siliziumoxid aufgebracht. Der Querschnitt der Spiralfeder umfasst entlang seiner Höhe mindestens zwei übereinander liegende Bereiche aus einem Siliziummaterial. Dabei umfasst das jeweilige Siliziummaterial mehrere Bereiche aus amorphen und/oder polykristallinen und/oder monokristallinen Siliziums.

Jeder Bereich hat durch Aufwachsen von Siliziumoxid in den Grenzbereich des Kerns der Spiralfeder hinein mindestens zwei Anker ausgebildet hat. Jeder Anker hat eine individuelle Rauheit. Die einzelnen Rauheiten der Anker sollten idealerweise gleich sein, unterscheiden sich aber naturgemäß durch das unterschiedliche Aufwachsverhalten der einzelnen Kristalle des Siliziumoxids bzw. Siliziumdioxids.

Die erfindungsgemäße Spiralfeder für ein mechanisches Uhrwerk ist nun dadurch gekennzeichnet, dass nach dem thermischen Oxidieren mittels Sauerstoff oder ei- nem thermischen CVD -Verfahren zum Aufbringen einer Si0 ₂ - Schicht der freigelegten Sprialfedern in jedem Bereich mindestens ein Anker ist, der dieselbe Rauheit wie ein anderer Anker eines benachbarten Bereichs hat. Je größer die Anzahl solcher Anker über benachbarte Bereiche ist, die dieselbe Rauheit aufweisen, desto einfacher wird die Topologie bzw. das Rauheitsprofil über die gesamte Höhe der Spiralfeder und desto größer ist die Wahrscheinlichkeit für eine vergleichsweise niedrige mittlere Rauheit über alle Anker aller Bereiche der Spiralfeder. Eine solche Spiralfeder ist entsprechend glatt und sorgt für ein verbessertes Schwingverhalten des mechanischen Uhrwerks. Dabei bezeichnet die Rauheit, auch Rautiefe genannt, die Unebenheit der Oberflächenhöhe der Anker. Zur quantitativen Charakterisierung der Rauheit gibt es unterschiedliche Berechnungsverfahren aus dem Stand der Technik, die jeweils verschiedene Eigenheiten der Oberfläche der Anker berücksichtigen. Die Oberflächen- rauheit kann unter anderem durch die oben genannten Herstellungsverfahren für die Spiralfeder beeinflusst werden, bei denen die Oberfläche der Spiralfeder poliert, geschliffen, geläppt, gehont, geätzt, bedampft und/oder oxidiert bzw. korrodiert wird.

Der Begriff Rauheit kann weiterhin eine Gestaltabweichung dritter bis fünfter Ord- nung bei technischen Oberflächen nach DIN 4760 bezeichnen.

Vor allem bei der Herstellung von Spiralfedern für mechanische Uhrwerke ist die Rauheit wichtig. Die Rauheit der Oberflächen der Spiralfedern soll möglichst klein sein. Die Rauheit kann mit unterschiedlichen Messgeräten gemessen und bestimmt werden: mittels manueller Methoden, beispielsweise durch den Rugotest; mittels profilbasierter Methoden, beispielsweise durch Tastschnittverfahren; und mittels flächenbasierter Methoden, beispielsweise durch optisch flächenhaft messende Verfahren.

Parallelitäts- oder Breitenschwankungen der Oxidschicht auf der Spiralfeder führen zu Abweichungen in der Ganggenauigkeit bei Temperaturschwankungen. Eine Breitenschwankung von 100nm führt zu einer Abweichung von 3 Sek/Tag, bei einer Temperaturdifferenz von 30 Grad Celsius. Eine Breitenschwankung einer Oxidschicht auf der Spiralfeder beträgt maximal 15%, bevorzugt 10% und besonders bevorzugt maximal. 5%/ der Gesamtbreite der Oxidschicht.

Durch die oben beschriebene erfindungsgemäße Spiralfeder wird auch ein weiterer Nachteil überwunden, dass durch eine inhomogene Verteilung der Rauheitsspitzen, also der Spitzen der Anker, entlang der Höhe der Spiralfeder auch inhomogene Breitenschwankungen der Oxidschicht entlang der Höhe der Spiralfeder entstehen. Dies beeinträchtigt das Schwingungsverhalten negativ. Die erfindungsgemäße Spi- ralfeder weist stattdessen eine homogene Verteilung der Rauheitsspitzen auf, was ein gleichmäßiges Schwingverhalten begünstigt.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spiralfeder nimmt die mittlere Rauheit über die Anker der Bereiche maximal einen Wert aus dem Intervall 0,5 pm bis 10,0 pm an. Bevorzugt liegt die mittlere Rauheit im Intervall von 0, 1 pm bis 5,0 pm und weiter bevorzugt im Intervall von 0,3 m bis 3,0 pm.

Es ist ebenso möglich, dass bei der Spiralfeder die mittlere Rauheit über die Anker der Bereiche im Intervall von 0,001 pm bis 2,0 pm liegt.

Die Verteilung der einzelnen Rauheiten der Anker der Bereiche sollte minimal sein. Die Frequenz bezüglich der Anzahl der Anker jeden Bereiches sollte maximal sein.

Wie oben beschrieben, kann es eine nicht kompensierbare Temperaturdrift durch eine inhomogene Verteilung der Si-Kristalle und deren Orientierung über den Querschnitt der Spiralfeder geben. Um eine von der Temperaturdrift unabhängige Spiralfeder zu erhalten, ist erfindungsgemäß der Querschnitt der Spiralfeder derart aufgebaut, dass die Si-Kristalle über den Querschnitt der Spiralfeder im Wesentlichen homogen hinsichtlich ihrer Größe und Orientierung verteilt sind.

Ein mögliches Verfahren zur Herstellung mindestens eines Funktionselements für mechanische Uhrwerke umfasst die folgenden Schritte:

Homogenes Verteilen von Silizium-Partikeln bzw. Silizium-Kristallen über ei- nen jeweiligen Querschnitt der Funktionselemente hinsichtlich der Größe und der Orientierung der Silizium-Partikel bzw. Silizium-Kristalle;

Herstellen eines Festkörpers durch Sintern der homogenisierten Mischung der im Wesentlichen isotropen Silizium-Partikel;

Vereinzeln des mindestens einen Funktionselements durch Abtrag des das jeweilige Funktionselement umgebenden Materials des Festkörpers. Neben dem Sintern der Silizium-Partikel bzw. Silizium-Kristalle sich auch andere Verfahren zur Herstellung eines Festkörpers aus Siliziummaterial denkbar. So kann der Festköper z.B. durch Sublimation, CVD, LPCVD, epitaktisches Abscheiden usw. gerhestellt werden. In einer Ausführungsform ist das Funktionselement eine Spiralfeder.

Eine homogene Verteilung der Silizium-Partikel bzw. Si-Kristalle, bevorzugt von amorphen und/oder monokristallinen Silizium-Partikeln bzw. Silizium-Kristallen, über den Querschnitt der Spiralfeder wird beispielsweise durch Tempern erreicht. Beim Tempern hat sich insbesondere eine Temperatur T größer oder gleich 800°C und eine Zeitdauer t des Temperns größer oder gleich 10 Stunden als vorteilhaft herausgestellt. Als Ergebnis erhält man gemäß Fig. 19 eine im Vergleich zu Figur 18 deutlich homogenere Verteilung der Si-Kristalle über den Querschnitt der Spiralfeder. Insbesondere weisen gemäß Fig. 20 Flächen F1 , F2, F3 beim Ausüben einer Kraft F die gleiche Biegefestigkeit auf und gewährleisten somit im Wesentlichen dieselbe Biegefestigkeit über die gesamte Windung der Spiralfeder. Daraus resultiert ein homogenes Schwingen und eine Torsion der Spiralfeder wird vermieden.

In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellt eine Spiralfeder für mechanische Uhrwerke mit einer mit der Schwingungsebene der Spiralfeder zusammenfallenden Spiralfederebene E und einer senkrecht zu der Spiralfederebene E, durch das Schwingungszentrum der Spiralfeder verlaufenden Spiralfederachse A zur Verfügung. Die Spiralfeder ist in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse A aus zumindest fünf Schichten aufgebaut, nämlich aus einer ersten, äußeren Schicht aus Siliziumoxid, zumindest einer zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium und zumindest einer vierten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die zweite Schicht und die vierte Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen bestehen, wobei die anisotropen Silizium-Kristalle einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 10 nm bis 1000 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 50 pm aufweisen, einer dritten, zwischen der zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium und der vierten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die dritte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser von 10 nm bis 1000 nm besteht, und einer fünften, äußeren Schicht aus Siliziumoxid.

Der Durchmesser der anisotropen Silizium- Kristalle beträgt 10nm bis 30000nm und deren Höhe 500nm bis 50pm. Der Durchmesser der isotropen Silizium-Kristalle be- trägt 1 nm bis 10000nm.

Wie bereits erwähnt kommt es bei der Herstellung der Spiralfedern häufig zu Brüchen und Rissen der Federn, was einen hohen Materialausschuss nach sich zieht. Es kann vermutet werden, dass diese Brüche durch Spannungen im Silizium- Substrat bewirkt werden, die sich während des epitaktischen Abscheidens des po- lykristallinen Siliziums aufbauen. Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, dass diese Spannungen deutlich vermindert werden können, wenn die Spiralfeder eine Zwischenschicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen aufweist, die zwischen zwei Schichten aus anisotropen Silizium-Kristallen angeordnet ist. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Spiralfeder aus zumindest fünf Schichten wird durch zwei äußere Schichten aus Siliziumoxid vervollständigt, durch die die Empfindlichkeit der Spiralfeder gegenüber Temperaturschwankungen vermindert wird. In ihrer allgemeinsten Form umfasst die vorliegende Erfindung also jede Art von Spiralfeder für mechanische Uhrwerke, bei der zwischen zwei äußeren Schichten aus Siliziumoxid zumindest zwei durch eine Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen voneinander getrennte Schichten aus anisotropen Silizium- Kristallen angeordnet sind.

Um ein möglichst konstantes Schwingverhalten der Spiralfeder und damit eine hohe und möglichst konstante Ganggenauigkeit des Uhrwerks zu erreichen, muss nämlich die Rückholkonstante der Spiralfeder möglichst konstant sein. Zur Minimie- rung der Temperaturabhängigkeit der Rückholkonstante wird im Falle von Spiralfedern aus Silizium die Tatsache ausgenutzt, dass Siliziumoxid einen, dem Silizium entgegengesetzten Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls aufweist. Durch eine Beschichtung einer Silizium-Spiralfeder mit einem Überzug aus Siliziumoxid kann so die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls der Spiralfeder und damit die Temperaturabhängigkeit der Rückholkonstante C minimiert werden. Dadurch kann die Empfindlichkeit der Spiralfeder gegenüber Temperaturschwankungen auf ein Minimum reduziert werden.

Die Dicke der Beschichtung aus Siliziumoxid, die für einen gegebenen Querschnitt der Spiralfeder erforderlich ist, um eine optimale Temperaturkompensation zu er- reichen, kann vom Fachmann problemlos berechnet oder einfach experimentell bestimmt werden. Die so berechneten bzw. bestimmten Schichtdicken für den Siliziumoxid-Überzug sind tabellarisch verfügbar. Üblich sind Beschichtungen mit Dicken von 2 bis 8 pm.

Bevorzugt ist die Spiralfeder in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse A aus zumindest fünf Schichten aufgebaut, nämlich aus einer ersten Schicht aus Siliziumoxid, einer auf der ersten Schicht aus Siliziumoxid angeordneten zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die zweite Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen besteht, wobei die anisotropen Silizium-Kristalle einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 10 nm bis 3000 nm, bevorzugt 10 nm bis 1000 nm, und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 500nm, bevorzugt 2 pm bis 50 pm, aufweisen, einer dritten, auf der zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die dritte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser von 1 nm bis 1000 nm, bevorzugt 10 nm bis 1000 nm, besteht, einer auf der dritten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten vierten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die vierte Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen besteht, wobei die anisotropen Silizium-Kristalle einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 10 nm bis 3000 nm, bevorzugt 10 nm bis 1000 nm, und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 2 m bis 500nm, bevorzugt 2 pm bis 50 pm, aufweisen, und einer auf der vierten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten fünften Schicht aus Siliziumoxid.

In dieser Ausführungsform werden in dem nachfolgend noch näher beschriebenen Verfahren zur Herstellung der Spiralfeder die beiden äußeren Schichten aus Siliziumoxid unter vollständiger Auflösung der vor der Oxidation anwesenden äußeren Schichten aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen gebildet. In der ferti- gen Spiralfeder stehen dann die beiden äußeren Schichten aus Siliziumoxid in direktem Kontakt mit jeweils einer Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen.

Ebenfalls bevorzugt ist eine Spiralfeder, die in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse A aus zumindest sechs Schichten aufgebaut ist, nämlich aus einer ersten, äußeren Schicht aus Siliziumoxid, einer sechsten, auf der ersten Schicht aus Siliziumoxid angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die sechste Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser von 10 nm bis 1000 nm besteht, einer auf der sechsten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die zweite Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen besteht, wobei die anisotropen Silizium-Kristalle einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 10 nm bis 1000 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 50 pm aufweisen, einer dritten, auf der zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die dritte Schicht aus im We- sentlichen isotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser von 10 nm bis 1000 nm besteht, einer auf der dritten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten vierten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die vierte Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen besteht, wobei die anisotropen Silizium-Kristalle einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 10 nm bis 1000 nm und eine Hö- he parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 50 pm aufweisen, und einer auf der vierten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten fünften, äußeren Schicht aus Siliziumoxid.

In dieser Ausführungsform wird in dem nachfolgend noch näher beschriebenen Verfahren zur Herstellung der Spiralfeder nur eine der beiden äußeren Schichten aus Siliziumoxid unter vollständiger Auflösung der vor der Oxidation anwesenden äußeren Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen gebildet. Bei der Bildung der weiteren äußeren Schichten aus Siliziumoxid erfolgt im Laufe der Oxidation keine vollständige Auflösung der vor der Oxidation anwesenden äußeren Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen. In der fertigen Spiralfe- der steht dann eine der beiden äußeren Schichten aus Siliziumoxid in direktem Kontakt mit einer Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen und die andere äußere Schicht aus Siliziumoxid steht in direktem Kontakt mit einer Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen, auf welche dann wieder eine Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen folgt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Spiralfeder in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse A aus zumindest sieben Schichten aufgebaut, nämlich aus einer ersten, äußeren Schicht aus Siliziumoxid, einer sechsten, auf der ersten Schicht aus Siliziumoxid angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die sechste Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium- Kristallen mit einem Durchmesser von 10 nm bis 1000 nm besteht, einer auf der sechsten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die zweite Schicht aus anisotropen Silizium- Kristallen besteht, wobei die anisotropen Silizium-Kristalle einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 10 nm bis 1000 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 50 pm aufweisen, einer dritten, auf der zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die dritte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser von 10 nm bis 1000 nm besteht, einer auf der dritten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten vierten Schicht aus polykristalli- nem Silizium, wobei die vierte Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen besteht, wobei die anisotropen Silizium-Kristalle einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 10 nm bis 1000 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 50 pm aufweisen, einer siebten, auf der vierten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die siebte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser von 10 nm bis 1000 nm besteht, einer auf der siebten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten fünften, äußeren Schicht aus Siliziumoxid.

In dieser Ausführungsform werden in dem nachfolgend noch näher beschriebenen Verfahren zur Herstellung der Spiralfeder die beiden äußeren Schichten aus Silizi- umoxid nur unter teilweiser Auflösung der vor der Oxidation anwesenden äußeren Schichten aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen gebildet. Bei der Bildung der beiden äußeren Schichten aus Siliziumoxid erfolgt im Laufe der Oxidation keine vollständige Auflösung der vor der Oxidation anwesenden äußeren Schichten aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen. In der fertigen Spiralfeder ste- hen dann beide äußeren Schichten aus Siliziumoxid in direktem Kontakt mit einer Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen, auf welche dann wieder jeweils eine Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen folgt.

Bevorzugt weist die Spiralfeder in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse A zumindest eine weitere aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen beste- hende Schicht und zumindest eine weitere aus anisotropen Silizium-Kristallen bestehende Schicht auf, wobei die weitere aus im Wesentlichen isotropen Silizium- Kristallen bestehende Schicht zwischen zwei aus anisotropen Silizium-Kristallen bestehenden Schichten angeordnet ist und die weitere aus anisotropen Silizium- Kristallen bestehende Schicht zwischen zwei aus im Wesentlichen isotropen Silizi- um-Kristallen bestehenden Schichten angeordnet ist. Durch die gemäß dieser Ausführungsform vorgesehene zweite Zwischenschicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen werden die Spannungen im Silizium-Substrat weiter vermindert und Beschädigungen während des Herstellungsprozesses reduziert.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Spiralfeder in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse A n weitere aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen bestehende Schichten und n weitere aus anisotropen Silizium-Kristallen bestehende Schichten auf, wobei jede weitere aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen bestehende Schicht zwischen zwei aus anisotropen Silizium-Kristallen bestehenden Schichten angeordnet ist und jede weitere aus anisotropen Silizium-Kristallen bestehende Schicht zwischen zwei aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen bestehenden Schichten angeordnet ist, wobei n eine natürliche Zahl aus dem Intervall [ 1 ; 200 ] ist; bevorzugt ist n aus dem Intervall [ 1 ; 20 ]. Durch weitere Zwischenschichten aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen werden die Spannungen im Silizium-Substrat zusätz- lieh vermindert und Beschädigungen während des Herstellungsprozesses praktisch auf Null reduziert.

Bevorzugt weist die erste und/oder die fünfte Schicht aus Siliziumoxid eine Dicke parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 8 pm auf. Durch eine Dicke der Silizi- umoxid-Schicht von 2 pm bis 8 pm kann die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls der Spiralfeder und damit die Temperaturabhängigkeit der Rückholkonstante C minimiert werden.

Besonders bevorzugt weisen die aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen bestehenden Schichten eine Schichtdicke parallel zur Spiralfederachse A von 20 nm bis 5 pm auf. Eine Schichtdicke von 20 nm bis 5 pm hat sich als ideal in Bezug auf die Verminderung von Spannungen in dem Silizium-Substrat herausgestellt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die aus anisotropen Silizium-Kristallen bestehenden Schichten eine Schichtdicke parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 150 pm auf. Eine Schichtdicke von 2 pm bis 150 pm hat sich als hervorragend geeignet zur Verhinderung von Spannungen im Material und zum Erreichen eines ausgezeichneten Schwingverhaltens der Spiralfeder herausgestellt.

Besonders bevorzugt weisen die anisotropen Silizium-Kristalle einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 20 nm bis 500 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 5 m bis 20 pm auf. Kristalle mit den genannten Abmessungen haben sich als ausgezeichnet geeignet zur Verhinderung von Spannungen im Material und zum Erreichen eines ausgezeichneten Schwingverhaltens der Spiralfeder herausgestellt. Wie nachfolgend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren noch beschrieben wird, stellt es für den Fachmann keine Schwierigkeit dar, im Rahmen einer CVD-Abscheidung die Prozessparameter so zu steuern, dass Kristalle in der gewünschten Dimensionierung aufwachsen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristalle einen Durchmesser von 20 nm bis 400 nm, bevorzugt 50 nm bis 100 nm auf. Durch Zwischenschichten, die aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser von 20 nm bis 400 nm, bevorzugt 50 nm bis 100 nm aufgebaut sind, werden Spannungen im Silizium-Substrat besonders stark vermindert. Bevorzugt beträgt die Fläche einer die Spiralfederachse A beinhaltenden Schnittebene der Spiralfeder von 0,001 mm ² bis 0,01 mm ² und/oder die Höhe der Spiralfeder parallel zur Spiralfederachse A von 0,05 mm bis 0,3 mm. Durch eine Querschnittsfläche und/oder eine Höhe in der genannten Größenordnung ergeben sich besonders gute Eigenschaften hinsichtlich des Schwingverhaltens. Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung eine Spiralfeder für mechanische Uhrwerke mit den Schritten Bereitstellen eines Silizium- Wafers, wobei der Silizium-Wafer eine Opferschicht aus Siliziumdioxid aufweist, Durchführung eines LPCVD-Verfahrens zur Ausbildung einer ersten, auf der Siliziumdioxid-Opferschicht angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die erste Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser von 10 nm bis 1000 nm besteht, Durchführung eines CVD-Verfahrens zur Ausbildung einer auf der ersten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die zweite Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen besteht, wobei die anisotropen Silizium-Kristalle ei- nen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 10 nm bis 1000 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 50 pm aufweisen, Durchführung eines LPCVD-Verfahrens zur Ausbildung einer dritten, auf der zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die dritte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser von 10 nm bis 1000 nm besteht, Durchführung eines CVD-Verfahrens zur Ausbildung einer auf der dritten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten vierten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die vierte Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen besteht, wobei die anisotropen Silizium-Kristalle einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 10 nm bis 1000 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 50 pm aufweisen, Durchführung eines LPCVD-Verfahrens zur Ausbildung einer fünften, auf der vierten Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht aus polykristallinem Silizium, wobei die fünfte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser von 10 nm bis 1000 nm besteht, Strukturierung der Spiralfeder durch ein materialabtragendes Ätz- oder Schneideverfahren, Ablösen der Spiralfeder von dem Silizium-Wafer durch Auflösen der Opferschicht aus Siliziumdioxid mit Hilfe eines Ätzverfahrens, Durchführung einer Oxidation zur Erzeugung einer zumindest eine sechste und eine siebte Schicht aus Siliziumoxid umfassenden Siliziumoxid- Oberflächenbeschichtung der Spiralfeder, wobei die Ausbildung der sechsten Schicht aus Siliziumoxid unter Auflösung zumindest eines Teils der ersten aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen bestehenden Schicht erfolgt und die Ausbildung der siebten Schicht aus Siliziumoxid unter Auflösung zumindest eines Teils der fünften aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen bestehenden Schicht erfolgt. Grundsätzlich sind die Prozessparameter für die Durchführung eines Niederdruck Chemical Vapor Deposition (LPCVD) Verfahrens ebenso wie die Prozessparameter für die Durchführung eines Chemical Vapor Deposition (CVD) Verfahrens zur Ab- scheidung von Kohlenstoff aus der Gasphase dem Fachmann bekannt. Durch Variation von Druck und Temperatur in der jeweiligen Reaktorkammer können Ge- schwindigkeit und Art der Abscheidung des Kohlenstoffs und damit die Kristallbildung auf der Siliziumdioxid-Opferschicht des Silizium-Wafers gesteuert werden.

Die Strukturierung der Spiralfeder erfolgt durch ein dem Fachmann an sich bekanntes materialabtragendes Ätz- oder Schneideverfahren. Der Materialabtrag kann beispielsweise durch ein Ätzverfahren mit Hilfe von Photomasken vorgenommen werden.

Nachfolgend wird die Spiralfeder von dem Silizium-Wafer durch Auflösen der Opferschicht aus Siliziumdioxid mit Hilfe eines Ätzverfahrens abgelöst. Chemische Ätzverfahren unter Verwendung von beispielsweise Flusssäure sind dem Fachmann allgemein bekannt. Die nach dem Ablösen der Spiralfeder von dem Silizium-Wafer durchgeführte Oxidation erfolgt nach einem dem Fachmann geläufigen Verfahren. So kann beispielsweise eine thermische Oxidation bei erhöhten Temperaturen vorgenommen werden. Da die Oxidation nach dem Ablösen der Spiralfeder von dem Silizium-Wafer durchgeführt wird, ist die Spiralfeder von allen Seiten zugänglich, wodurch sich eine äußere Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung ausbildet. Im Laufe der Ausbildung der Siliziumoxid-Schicht werden die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst ausgebildete erste und fünfte, aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen bestehenden Schichten zumindest teilweise oxidiert und damit zumindest zum Teil als Schicht aus polykristallinem Silizium aufgelöst bzw. zumindest zum Teil in eine Schicht aus Siliziumoxid umgewandelt.

Wird die Oxidation nach dem Ablösen der Spiralfeder von dem Silizium-Wafer für einen längeren Zeitraum durchgeführt, so erfolgt eine vollständige Auflösung der zunächst ausgebildeten ersten und/oder fünften, aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen bestehenden Schichten. Eine oder beide der Schichten werden dadurch in Schichten aus Siliziumoxid umgewandelt.

Bevorzugt wird das LPCVD-Verfahren für einen Zeitraum ausgeführt, in dem sich eine Schicht aus polykristallinem Silizium mit einer Dicke parallel zur Spiralfeder- achse A von 0,2 pm bis 1 pm ausbildet. Mit LPCVD-Verfahren sind relativ niedrige Schichtabscheideraten von ca. 20 nm/min verbunden. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugten Schichtdicken von 0,2 pm bis 1 pm sind somit innerhalb akzeptabler Prozesszeiten zu erreichen.

Das CVD-Verfahren wird bevorzugt für einen Zeitraum ausgeführt, in dem sich eine Schicht aus polykristallinem Silizium mit einer Dicke parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 150 pm ausbildet. Mit den im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugten Prozessparametern werden bei CVD-Verfahren Schichtabscheideraten von 1 pm/min bis 5 pm/min erreicht. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugten Schichtdicken von 2 m bis 150 m sind somit innerhalb akzeptabler Prozesszeiten zu erreichen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Oxidation nach dem Ablösen der Spiralfeder von dem Silizium-Wafer für einen Zeitraum ausgeführt, in dem sich eine Schicht aus Siliziumoxid mit einer Dicke parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 8 pm ausbildet. Durch eine Dicke der Siliziumoxid-Schicht von 2 pm bis 8 pm kann die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls der Spiralfeder und damit die Temperaturabhängigkeit der Rückholkonstante C minimiert werden. Bevorzugt wird das CVD-Verfahren bei einer Prozesstemperatur zwischen 600°C und 1200°C, besonders bevorzugt zwischen 960°C und 1060°C ausgeführt. Bei den genannten Prozesstemperaturen bilden sich Schichten aus polykristallinem Silizium aus, welche aus anisotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 10 nm bis 1000 nm und einer Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 50 pm aufgebaut sind. Diese weisen ausgezeichnete Eigenschaften im Hinblick auf die Verhinderung von Spannungen und zum Erreichen eines ausgezeichneten Schwingverhaltens der Spiralfeder auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das CVD-Verfahren bei einem Prozessdruck zwischen 2,7- 10 ³ Pa und 13,3- 10 ³ Pa ausgeführt. Bei den ge- nannten Prozessdrucken bilden sich Schichten aus polykristallinem Silizium aus, welche aus anisotropen Silizium-Kristallen mit einem Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 10 nm bis 1000 nm und einer Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 2 pm bis 50 pm aufgebaut sind. Diese weisen ausgezeichnete Eigenschaften im Hinblick auf die Verhinderung von Spannungen und zum Erreichen ei- nes ausgezeichneten Schwingverhaltens der Spiralfeder auf.

Besonders bevorzugt wird das LPCVD-Verfahren und/oder das CVD-Verfahren unter Verwendung von Silan oder Dichlorsilan als Prozessgas durchgeführt. Bei Verwendung dieser Prozessgase bilden sich die gewünschten Schichten innerhalb relativ kurzer Prozesszeiten aus. Bevorzugt wird das CVD-Verfahren mit einem gegenüber dem LPCVD-Verfahren erhöhten Gasfluss, einem erhöhten Prozessdruck und einer erhöhten Prozesstemperatur durchgeführt. Durch die genannte Veränderung der Prozessparameter kann die Ausbildung der gewünschten unterschiedlichen Schichten gesteuert werden. Bevorzugt wird das CVD-Verfahren bei Prozessparametern durchgeführt, die zur Abscheidung einer Schichtdicke von 1 pm bis 5 pm pro Minute führen. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugten Schichtdicken von 2 pm bis 150 pm sind somit innerhalb akzeptabler Prozesszeiten zu erreichen.

Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine Spiralfeder für eine mechanische Uhr, wobei die Spiralfeder nach einem der oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist.

Außerdem umfasst die vorliegende Erfindung eine mechanische Uhr mit einer der oben beschriebenen Spiralfedern.

Wie oben bereits beschrieben, sollten die Funktionselemente einer mechanischen Uhr sollten in ihrem Bewegungsverhalten im Idealfall keine Temperaturabhängig- keit zeigen. Zur Minimierung der Temperaturabhängigkeit des Bewegungsverhaltens von aus Silizium gefertigten Funktionselementen wird die Tatsache ausgenutzt, dass Siliziumoxid einen, dem Silizium entgegengesetzten Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls aufweist. Durch eine Beschichtung eines Funktionselements aus Silizium mit einem Überzug aus Siliziumoxid bzw. Siliziumdioxid und dem Eindringen von Siliziumoxid bzw. Siliziumdioxid in das Funktionselement kann die Empfindlichkeit des Funktionselements gegenüber Temperaturschwankungen auf ein Minimum reduziert werden.

Auf dem Funktionselement wird durch eine thermische Oxidation eine Oberflächen- beschichtung aus Siliziumoxid bzw. Siliziumdioxid erzeugt und im Funktionselement bilden sich ebenfalls durch die thermische Oxidation eine Vielzahl von Ankern aus. Die Anker dringen in das Material des Funktionselements ein und sorgen für eine Temperaturabhängigkeit des Bewegungsverhaltens des Funktionselements. Die im Wesentlichen isotropen Silizium-Partikel weisen bevorzugt einen Durchmesser von 0,03 pm bis 1 pm auf. Die im Festkörper ausgebildeten Poren haben bevorzugt einen Durchmesser von 0,01 m bis 0,3pm.

Der durch das Sintern erzeugte Festkörper weist eine Dichte von zumindest 95% und bevorzugt von zumindest 99% der Dichte von kristallinem Silizium auf.

Durch das Zusammenspiel der Größe der verwendeten Silizium-Partikel und der Größe der nach dem Sintern im Festkörper gebildeten Poren, erhält man Funktionselemente, deren Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung und auch die Ausbildung der Anker in deutlich verringerter Reaktionszeit erzeugt werden. Daraus resultiert eine weiter verbesserte mechanische Stabilität bei gleichzeitig minimierter Temperaturabhängigkeit des Bewegungsverhaltens.

Das erfindungsgemäße Verfahren kommt mit einem deutlich reduzierten Zeitaufwand für die Erzeugung der Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung aus. Durch den Einsatz von im Wesentlichen isotropen Silizium-Partikeln, mit den oben beschrie- benen Eigenschaften bilden sich beim Sintern die Poren mit den oben beschriebenen Eigenschaften aus.

Bei der Erzeugung der Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung kann die Oxidation des Siliziums aufgrund der auch an der Oberfläche lokalisierten Poren schneller voranschreiten, da eine größere Oberfläche der im Festkörper vorhandenen Silizi- um-Partikel für die Oxidation zugänglich ist. Es bilden sich somit Anker im Funktionselement durch die thermische Oxidation derart aus, dass sich die Anker aus Siliziumoxid zumindest teilweise bis in eine zweite Schicht aus Silizium-Partikel erstrecken.

Beispielsweise kann durch die Beschichtung einer Silizium-Spiralfeder mit einem Überzug aus Siliziumoxid die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls der Spiralfeder und damit die Temperaturabhängigkeit der Rückholkonstante C minimiert werden. Dadurch kann die Empfindlichkeit der Spiralfeder gegenüber Temperaturschwankungen auf ein Minimum reduziert werden. Mit voranschreitender Oxidation bilden sich im Material des Funktionselements die Siliziumoxid-Anker aus, die bis in die zweite oder dritte Schicht von Silizium- Partikeln in das Funktionselement hineinragen. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass diese Siliziumoxid-Anker dem Funktionselement eine deutlich verbes- serte mechanische Stabilität verleihen.

Diese erhöhte mechanische Stabilität tritt neben der bekannten, durch eine Silizi- umoxid-Oberflächenbeschichtung bewirkten Minimierung der Temperaturabhängigkeit des Bewegungsverhaltens des Funktionselements auf.

Die bei den genannten Verfahren anfallenden Silizium-Partikel weisen eine „im Wesentlichen isotrope" Form auf. Unter dem Begriff„im Wesentlichen isotrop" werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Partikel verstanden, die keine deutlich ausgebildete Vorzugsrichtung aufweisen. Die Silizium-Partikel weisen keine ideale isotrope Form auf, da sie nicht als Kugeln ausgebildet werden, sondern leichte Unregelmäßigkeiten wie Kanten und kleine, ebene Flächen aufweisen. Unter dem Durchmesser eines im Wesentlichen isotropen Silizium-Partikels wird der maximale Durchmesser des Silizium-Partikels verstanden.

Die erfindungsgemäß vorgesehene isostatische Pressmethode beruht auf dem physikalischen Gesetz, dass sich der Druck in Flüssigkeiten und Gasen allseitig gleichmäßig fortpflanzt und auf den beaufschlagten Flächen Kräfte erzeugt, die zu diesen Flächen direkt proportional sind. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine mit Silizium-Partikeln gefüllte Pressform in den Druckbehälter einer Pressanlage eingebracht. Der Druck, der über die Flüssigkeit in dem Druckbehälter allseitig auf die Pressform wirkt, komprimiert das eingeschlossene Silizium-Pulver gleichmäßig. Als Bindemittel werden bevorzugt Polyvinylalkohol, Polyvinylbutyral, Polyethyl- englykol und deren Gemische verwendet. Diese Bindemittel haben sich als besonders gut geeignet für die Verwendung bei der Herstellung von Funktionselementen für mechanische Uhren herausgestellt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Silizium-Partikel und Bindemittel in einem Gewichtsverhältnis Silizium-Partikel zu Bindemittel von 100:0, 1 bis zu 100:3 eingesetzt. Besonders bevorzugt werden Silizium-Partikel und Bindemittel in einem Gewichtsverhältnis Silizium-Partikel zu Bin- demittel von 100:0,2 bis zu 100:2, und insbesondere bevorzugt in einem Gewichtsverhältnis von 100:0,5 bis zu 100: 1 eingesetzt. Die genannten bevorzugten Mengen an Bindemittel sind einerseits groß genug, um für eine ausreichende Verbindung der Silizium-Partikel im Rahmen des Homogenisierungsschritts zu sorgen, und andererseits gering genug, um nach dem Verdichtungsschritt problemlos aus dem Festkörper entfernt werden zu können.

Besonders bevorzugt wird dem Bindemittel vor dem Vermischen mit den Silizium-Partikeln Ethanol zugefügt, insbesondere bevorzugt in einem Gewichtsverhältnis von Ethanol zu Silizium-Partikel von rund 5: 1 .

Das M ischen von Si l izium-Partikeln und B indem ittel erfolgt bevorzugt durch Aufsprühen des Bindemittels auf die Silizium-Partikel.

Besonders gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn das Homogenisieren der Mischung von Silizium-Partikeln und Bindemittel durch Mahlen in einer Kugelmühle für einen Zeitraum von 2 bis 24 Stunden erfolgt. Insbesondere bevorzugt erfolgt das Mahlen in der Kugelmühle bei gleichzeitiger Vakuumentgasung. Besondere Bedeutung für die Ausbildung der gewünschten Poren besitzt der Schritt des Verdichtens der homogenisierten Mischung aus Silizium-Partikeln und Bindemittel zu einem Festkörper. In Folge der Anwendung kaltisostatischen oder heißisostatischen Pressens wird der Druck von allen Richtungen gleichmäßigen auf das Siliziumpulver ausgeübt. Das heißisostatische Pressen verbessert durch Er- wärmung zudem die Struktur des sich ausbildenden Silizium-Festkörpers.

Grundsätzlich kann ein heißisostatisches Pressen bei 10 bis 800 MPa und 30°C bis 1400°C durchgeführt werden. Ausgezeichnete Eigenschaften der Funktionselemente ergeben sich, wenn das Verdichten bei einer Temperatur von 600°C bis 1400 °C oder bei einem Druck von 100 bis 300 MPa erfolgt. Insbesondere bevorzugt erfolgt das Verdichten bei einer Temperatur von 600°C bis 1400 °C und bei einem Druck von 100 bis 300 MPa.

Bevorzugt wird die homogenisierte Mischung aus Silizium-Partikeln und Bindemittel vor dem Verdichtungsschritt bei einer Temperatur von 100°C bis 120 °C vorgewärmt. Das Verdichten erfolgt bevorzugt für einen Zeitraum von 2 bis 4 Stunden.

Besonders gute Eigenschaften weisen die hergestellten Funktionselemente auf, wenn der durch den Verdichtungsschritt erzeugte Festkörper Poren mit einem maximalen Durchmesser von 0,001 pm bis 1 pm aufweist.

Aus dem Silizium-Festkörper wird in der dem Fachmann bekannten Weise das Funktionselement durch Abtrag des das Funktionselement umgebenden Materials vereinzelt. Der Materialabtrag erfolgt dabei bevorzugt durch Ätzen oder Ausschneiden. Das Ätzen erfolgt besonders bevorzugt durch ein Trockenätzverfahren, das Ausschneiden erfolgt besonders bevorzugt durch Laserschneiden. Die genannten Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt, weshalb deren Einsatz im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens für den Fachmann kein Problem darstellt.

Bevorzugt wird die Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung durch eine thermische Oxidation erzeugt. Dabei wirkt Sauerstoff bei erhöhter Temperatur auf das Funkti- onselement ein. Durch die Zeitdauer der Oxidation kann die Dicke der Siliziumoxid- Oberflächenbeschichtung gesteuert werden. Die genauen Parameter einer thermischen Oxidation zur Bildung einer Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Deren Auffinden für einen bestimmten Oxidations- vorgang stellt für den Fachmann daher kein Problem dar. Grundsätzlich kann durch das erfindungsgemäße Verfahren jede Art von Funktionselement für mechanische Uhren hergestellt werden. Bevorzugt handelt es sich bei den Funktionselementen um eine Spiralfeder, ein Zahnrad, ein Gangrad, ein Ankerrad, einen Anker, einen Unruhreif oder eine Welle. Besondere Vorteile erge- ben sich bei der Herstellung einer Spiralfeder für mechanische Uhren, da für dieses Funktionselement eine besonders hohe mechanische Stabilität und ein besonders temperaturunabhängiges Schwingungsverhalten erforderlich sind.

Das erfindungsgemäße Funktionselement zeichnet sich dadurch aus, dass ein aus isotropen Silizium-Partikeln durch isostatisches Verdichten hergestellter Festkörper eine Vielzahl von Poren ausgebildet hat, die einen maximalen Durchmesser von 0,001 pm bis 1 pm aufweisen. Das Funktionselement trägt eine Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung auf dem Funktionselement. Ferner sind mehrere Anker aus Siliziumoxid im Festkörper ausgebildet, die sich im Festkörper des Funktionselements zumindest bis zu einer zweiten Schicht aus Silizium-Partikel erstrecken. Bevorzugt weisen die im Festkörper ausgebildeten Poren einen Durchmesser von 0,01 pm bis 0,3pm auf.

Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem eine mechanische Uhr mit einem Funktionselement, das erfindungsgemäß ausgebildet ist. Sämtliche oben genannten bevorzugten Ausführungsformen können einzeln oder in Kombination mit anderen bevorzugten Ausführungsformen die erfindungsgemäße Spiralfeder weiterbilden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammen- hang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Die Größenverhältnisse in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind. In den Figuren zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausfürhungsfrom einer Spiralfeder, die bei einer mechanischen Uhr eingesetzt wird;

Fig. 2 eine schamtischen Ansicht eines Querschnitts durch eine Windung der Spiralfeder; Fig. 3 vergrößerte Darstellung des Queschnitts durch die Spiralfeder, wobei auf einer Ausenfläche eine Schicht aus Siliziumdioxid aufgebracht ist;

Fig. 4 eine schematische Detailansicht eines Ankers der sich aus der Schicht aus Siliziumdioxid in das Kern aus Silizium hinein erstreckt; Fig. 5 eine andere schematische Darstellung eines Schnitts durch die Spiralfeder wobei der Siliziumkern der Spiralfeder in seiner kristallinen Struktur gemäß einer ersten Ausführungsform aufgebaut ist;

Fig. 6 eine andere schematische Darstellung eines Schnitts durch die Spiralfeder, die gemäß einer weiteren Ausführungsform aufgebaut ist; Fig. 7 eine Draufsicht auf einen mit einem Sinterprozess hergestellten Si-Wafer, bei dem bereits die Spiralfedern durch Ätzen oder Ausschneiden hergestellt wurden;

Fig. 8 eine Detailansicht des in Fig. 7 mit A kennzeichneten Bereichs;

Fig. 9 eine schematische Teilansicht eines vertikalen Schnitts, wobei zwei gegenüberliegende Seitenflächen der Spiralfeder dargestellt sind; Fig. 10 bis 13, 15 Aufnahmen mit einem elektronischen Rastermikroskop von einem Schnitt des Randbereichs einer Windung einer Spiralfeder, wobei die Draufsicht auf die Höhe h der Spiralfeder dargestellt ist;

Figur 14 eine perspektivische Aufnahme mit einem elektronischen Rastermikroskop eines Bereichs einer Windung der Spiralfeder; Figur 16 verschiedene mikroskopische Aufnahmen einer aus polykristallinem Silizium hergestellten und mit Siliziumoxid beschichteten Spiralfeder;

Figur 17 verschiedene mikroskopische Aufnahmen einer aus monokristallinem Silizium hergestellten und mit Siliziumoxid beschichteten Spiralfeder; Figur 18 eine schematische Ansicht eines Querschnitts einer Spiralfeder, bei der die Siliziumkristalle nicht homogenisiert sind und mit zunehmender Höhe der Spiralfeder in ihrer Größe zunehmen;

Figur 19 eine schematische Ansicht eines Querschnitts einer Spiralfeder, bei der die Siliziumkristalle durch einen speziellen Prozess homogenisiert sind und somit eine weitgehen homogene Größenverteilung entlang der Höhe der Spiralfeder aufweisen; und

Figur 20 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Spiralfeder zur Verdeutlichung der sich aufgrund der Erfindung ergebenden Biegesteifigkeit. Wege zur Ausführung der Erfindung

Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Spiralfeder 20 für mechanische Uhrwerke. Die Spiralfeder 20 weist eine mit der Schwingungsebene der Spiralfeder 20 zusammenfallende Spiralfederebene E und eine senkrecht zu der Spiralfederebene E durch das Schwingungszentrum der Spiralfeder 20 verlaufende Spiralfe- derachse A auf. Zur drehfesten Verbindung mit einer Unruhwelle (nicht dargestellt) weist die Spiralfeder 20 einen inneren Spiralfederbefestigungsabschnitt S auf. Der äußere Federhaltepunkt H der Spiralfeder 20 dient der festen Verbindung der Spiralfeder mit einer Platine oder einer Lagerplatine. Die Spiralfeder 20 weist mehrere Windungen22 auf. Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Querschnitt 24 durch eine Windung 22 der Spiralfeder 20. Bei der hierdargestellten Ausführungsform besteht jede der Windungen 22 der Spiralfeder 20 aus einem Kern 25 und einer Umhüllung 27, die aus einer Schicht 34 aus Siliziumdioxid besteht. Die Schicht 34 aus Siliziumdioxid wird von jeder der Seitenflächen 30 einer jeden Windung 22 der Spiralfeder 20 getragen Die Schicht 34 aus Siliziumdioxid wird durch thermische Odidation der Spiralfeder 20 erzeugt. Nach der thermischen Oxidation (mit Sauerstoff oder einem geeigneten CVD-Verfahren) ergibt sich für die Spiralfeder 20 eine Höhe h und eine Breite b der Windungen 22 der Spiralfeder 20. Figur 3 zeigt einen Schnitt durch die Spiralfeder 20 der Figur 1 , gemäß einer alternativen Ausführungsform. Die Spiralfeder 20 trägt dabei auf einer Außenseite eine Schicht 34 aus Siliziumdioxid. Dies kann durch geeignete Maskierungsmaßnahmen erreicht werden Die Spiralfeder 20 umfasst Windungen 22 (siehe Figur 1 ), wobei ein Querschnitt 24 einer Windung 22 eine Höhe h und eine Breite b hat. An einem Grenzbereich 31 ist mindestens eine Schicht 34 aus Siliziumdioxid aufgebracht. Der Querschnitt 24 entlang der Höhe h umfasst mindestens zwei übereinander liegende diskrete Bereiche 26 _! , 26 _n , i=1 , n, aus einem Siliziummaterial. Das Siliziummaterial der Bereiche 2Q i=1 , n, umfasst amorphes und/oder polykris- tallines und/oder monokristallines Silizium 2, 3, 4, 8, 9, 1 1 , 12, 13, 14. Jeder Bereich 26, hat mindestens zwei Anker 28 _u durch Aufwachsen von Kristallen des Siliziumdioxids 34 in den Grenzbereich 31 ausgebildet. Die Anker werden beim Pro- zess der thermischen Oxidation (mit Sauerstoff oder einem geeigneten CVD- Verfahren) aus Siliziummaterial der bestehenden Spiralfeder 20 gebildet Jeder Anker 28 _u hat eine individuelle Rauheit R _u , j=1 , ... , m.

Erfindungsgemäß ist in jedem Bereich 26, mindestens ein Anker 28 _u angeordnet, der dieselbe Rauheit wie ein anderer Anker 28 _{Μ ,Γ} und/oder 28 _{i+1 ,r} eines benachbarten Bereichs 26, hat, also R _u , = R _i-i , und/oder R _u , = R ,+ _{! ,} ,'.

Ein E-Modul darf in den Bereichen 26 _! , 26 ₂ , ... ,26 _n maximal um 2% bis höchstens 3% variieren. Der E-Modul wird am Gesamt E-Modul des betrachteten Querschnitts 24 der Spiralfeder 20 gemessen. Zur Berechnung des effektiven E-Moduls wird z. B. die „Voigt-Reuss-Hill-Methode" angewandt. Bei Polysilizium bilden sich z. B. bei Epitaxie-Abscheideverfahren oder gerichtetem Aufwachsen bevorzugt Kristallorientierungen bzw. Texturen aus. Bevorzugt bilden sich <1 10> und <1 1 1 > und <31 1 > aus. Es können aber auch noch die Texturen <100>, <21 1 >oder <331 > vorliegen. Es ist wegen der unterschiedlichen E-Module der Texturen eine homogene Verteilung der Texturen über den Querschnitt 24 der Spiralfeder anzustreben. Es müssen in den Bereichen 26 _! , 26 ₂ , ... ,26 _n mindestens je zwei verschiedene Texturen vorliegen, um eine weitestgehend ausreichende Homogenität des Querschnitts 24 der Spiralfeder 20 zu gewährleisten. In den Figuren 3 und 4 sind die Kristalle vereinfacht als Vier- bzw. Rechtecke dargestellt, sie können jedoch sowohl isotrop als auch anisotrop sein, wie beispielsweise in den Figuren 5 oder 6 dargestellt ist.

Die fertige Außenfläche 39 der Windung 22 der Spiralfeder 20 entspricht der Au- ßenfläche der fertigen mindestens einer Schicht 34 aus Siliziumdioxid, also nach Abschluss des Trennvorgangs der Spiralfeder 20 vom Träger (Silizium-Wafer 10) und nach Abschluss des Oxidiervorgangs zum Erzeugen der mindestens einer Schicht 34 ausSiliziumdioxid (vgl. beispielsweise Figuren 5 bis 9 und die Beschreibung dazu). Aus Gründen der vereinfachten Darstellung ist in Figur 3 nur ei- ne einzige Schicht 34 aus Siliziumdioxid 34 dargestellt, es kann aber mehr als eine Schicht 34 aus Siliziumdioxid auf das Siliziummaterial aufgebracht werden.

Figur 4 zeigt eine Detailansicht eines Ankers 28 _u eines Bereichs 26, nach Figur 3. Der Anker 28 _u hat eine individuelle Rauheit R _u , die in der Regel nicht genau übereinstimmt mit der mittleren Rauheit R über alle Anker 28 aller Bereiche 26. Die mitt- lere Rauheit R verläuft entlang einer Mittellinie 32 durch alle Anker aller Bereiche.

Die Darstellungen der Figuren 6 und 6 zeigen jeweils einen Schnitt durch eine Windung 22 der Spiralfeder 20 der Figur 1 , wobei die Spiralfederachse A Bestandteil der Schnittebene ist und somit die Schnittebene senkrecht auf der Spiralfederebene E steht. Die Dicken der einzelnen Schichten sind in den Figuren 5und 6 nicht maßstabsgetreu wiedergegeben, es kann also nicht von der zeichnerisch dargestellten Dicke der einen Schicht auf die Dicke einer anderen Schicht geschlossen werden.

Figur 6 zeigt einen Zustand der Spiralfeder 20 während des Herstellungsprozesses. Der als Träger dienende Silizium-Wafer 10 ist bei der in Figur 6 gezeigten Darstellung mit einer Opferschicht 10.1 aus Siliziumdioxid versehen. Durch ein LPCVD-Verfahren wird auf der Opferschicht 10.1 eine 0,4 pm dicke erste Schicht 1 1 aus polykristallinem Silizium abgeschieden. Diese erste Schicht 1 1 besteht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen 9, die im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von 100 nm bis 400 nm aufweisen. Das LPCVD-Verfahren wird mit Silan als Prozessgas bei einem Druck von 0,6- 10 ³ Pa und einer Temperatur von 1000 °C durchgeführt. Durch die dabei erzielte Abscheiderate von ca. 200 nm/min baut sich die erste Schicht 1 1 innerhalb von rund 2 Minuten auf.

Nachfolgend werden Gasfluss, Prozessdruck und Prozesstemperatur erhöht und unter Verwendung von Silan als Prozessgas wird ein CVD-Verfahren durchgeführt. Bei einem Prozessdruck von 5,7- 10 ³ Pa und einer Prozesstemperatur von 1060°C stellt sich eine Abscheiderate von rund 2 pm pro Minute ein. Innerhalb von 20 Minuten wird eine auf der ersten Schicht 1 1 aus polykristallinem Silizium angeordnete zweite Schicht 12 aus polykristallinem Silizium mit einer Dicke parallel zur Spiralfe- derachse A von 40 pm ausgebildet. Die zweite Schicht 12 aus polykristallinem Silizium besteht aus anisotropen Silizium-Kristallen 8, wobei die anisotropen Silizium- Kristalle 8 im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 50 nm bis 100 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 5 pm bis 30 pm aufweisen. Anschließend werden die Parameter Gasfluss, Prozessdruck und Prozesstemperatur auf die Werte für das oben im Zusammenhang mit der Ausbildung der ersten Schicht 1 1 beschriebene Verfahren eingestellt und ein LPCVD-Verfahren zur Ausbildung einer dritten 13, auf der zweiten 12 Schicht aus polykristallinem Silizium angeordneten 0,4 m dicken Schicht aus polykristallinem Silizium durchgeführt. Diese dritte Schicht 13 besteht wiederum aus im Wesentlichen isotropen Silizium- Kristallen 9 mit einem Durchmesser von 100 nm bis 400 nm.

Nachfolgend werden Gasfluss, Prozessdruck und Prozesstemperatur wieder erhöht und unter Verwendung von Silan als Prozessgas wird ein weiteres CVD-Verfahren durchgeführt. Bei einem Prozessdruck von 5,7- 10 ³ Pa und einer Prozesstemperatur von 1060°C stellt sich eine Abscheiderate von rund 2 pm pro Minute ein. Innerhalb von 20 Minuten wird eine auf der dritten Schicht 13 aus polykristallinem Silizium angeordnete vierte Schicht 14 aus polykristallinem Silizium mit einer Dicke parallel zur Spiralfederachse A von 40 pm ausgebildet. Die vierte Schicht 14 aus polykristallinem Silizium besteht ebenfalls aus anisotropen Silizium-Kristallen 8, wobei die anisotropen Silizium-Kristalle 8 im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Durchmes- ser parallel zur Spiralfederebene E von 50 nm bis 100 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 5 pm bis 30 pm aufweisen.

Nach diesem Prozessschritt weist die mit dem Silizium-Wafer 10 verbundene Spiralfeder die in Figur 6 dargestellte Form auf. Anschließend erfolgen nacheinander die Strukturierung der Spiralfeder durch ein materialabtragendes chemisches Ätzverfahren mit Hilfe von Photomasken, das Ablösen der Spiralfeder von dem Silizium-Wafer 10 durch Auflösen der Opferschicht 10.1 aus Siliziumdioxid wiederum mit Hilfe eines chemischen Ätzverfahrens, und die Durchführung einer thermischen Oxidation (mit Sauerstoff oder einem geeigne- ten CVD-Verfahren) zur Erzeugung einer Schicht 34 aus Siliziumoxid. Die thermische Oxidation (mit Sauerstoff oder einem geeigneten CVD-Verfahren) wird für einen entsprechend gewählten Zeitraum durchgeführt, so dass sich eine erste 1 und eine fünfte 5 Schicht 34 aus Siliziumoxid mit einer Schichtdicke von rund 2,5 pm ausbilden. Im Zuge der Bildung der ersten Schicht 34 aus Siliziumoxid löst sich die erste, aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen bestehende Schicht 1 1 vollständig auf. Durch die Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung wird eine Minimierung der Temperaturabhängigkeit des Schwingungsverhaltens der Spiralfeder 20 erreicht.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Spiralfeder 20 für mechanische Uhr- werke ist in Figur 5 dargestellt. Die Spiralfeder ist in einer Richtung parallel zur Spiralfederachse A aus fünf Schichten 1 , 2, 3, 4, 5 aufgebaut, nämlich aus einer 2,5 pm dicken, ersten Schicht 1 aus Siliziumoxid, einer auf der ersten Schicht 1 aus Siliziumoxid angeordneten, 40 m dicken, zweiten Schicht 2 aus polykristallinem Silizium, wobei die zweite Schicht 2 aus anisotropen Silizium-Kristallen 8 besteht, wo- bei die anisotropen Silizium-Kristalle 8 einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 50 nm bis 100 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfederachse A von 5 pm bis 30 pm aufweisen, einer 0,4 pm dicken dritten, auf der zweiten Schicht 2 aus polykristallinem Silizium angeordneten Schicht 3 aus polykristallinem Silizium, wobei die dritte Schicht 3 aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen 9 mit einem Durchmesser von 100 nm bis 400 nm besteht, einer auf der dritten Schicht 3 aus polykristallinem Silizium angeordneten, 40 pm dicken, vierten Schicht 4 aus polykristallinem Silizium, wobei die vierte Schicht 4 aus anisotropen Silizium-Kristallen 8 besteht, wobei die anisotropen Silizium-Kristalle 8 einen Durchmesser parallel zur Spiralfederebene E von 50 nm bis 100 nm und eine Höhe parallel zur Spiralfeder- achse A von 5 pm bis 30 pm aufweisen, einer auf der vierten Schicht 4 aus polykristallinem Silizium angeordneten, 2,5 pm dicken, fünften Schicht 5 aus Siliziumoxid.

Die dargestellte Spiralfeder kann unter minimalen Verlusten durch Brüche und Risse mit konstant ausgezeichneter Qualität hergestellt werden. Obwohl sich die nachfolgende Beschreibung auf eine Spiralfeder als Funktionselement bezieht, soll dies nicht als eine Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden.

Figur 7 zeigt eine Draufsicht auf einen mit einem Sinterprozess hergestellten Si- Wafers 10, bei dem Bereits die Spiralfedern 20 durch Ätzen oder Ausschneiden hergestellt und freigelegt wurden. In dem Verfahren zur Herstellung des Si-Wafers 10 wurden im Wesentlichen isotrope Silizium-Partikel 40 (siehe Figur 9) mit einem Durchmesser zwischen 0,03 pm bis 1 pm verwendet, die als Nebenprodukt bei der Herstellung von Silizium-Granulat mit Hilfe eines Wirbelschicht-Verfahrens angefallen waren. Als Bindemittel wurde Polyvinylalkohol verwendet. Die Mischung von Si- lizium-Partikeln 40 und Bindemittel im Verhältnis von 100:0,75 erfolgte durch Aufsprühen einer Bindern ittel/Ethanol-Mischung auf die Silizium-Partikel 40. Die so erzeugte Mischung wurde durch Mahlen in einer Kugelmühle für einen Zeitraum von 12 Stunden unter gleichzeitiger Vakuumentgasung homogenisiert.

Nach dem Einbringen der homogenisierten Mischung aus Silizium-Partikeln 40 und Bindemittel in eine Pressform (nicht dargestellt) erfolgte ein Sintern der homogenisierten Mischung zu einem Festkörper. Für den Fall, dass das Sintern ein heiß- isostatisches Verdichten ist, wird dies bei einer Temperatur von 1000°C und einem Druck von 250 MPa für 3 Stunden durchgeführt. Der erzeugte Festkörper bzw. Si- Wafer 6 besitzt Poren 2 (siehe Figur 9) mit einem maximalen Durchmesser P von 0,001 μΓΠ bis 1 m. Der durch die Verdichtung der homogenisierten Mischung aus Silizium-Partikeln 1 und Bindemittel erzeugte Festkörper weist bevorzugt eine Dichte von zumindest 95%, bevorzugt zumindest 99% der Dichte von kristallinem Silizium auf. Aus dem so erzeugten Festkörper wurde das Bindemittel durch Evakuieren abgezogen. Die Abtrennung des Bindemittels erfolgt bevorzugt durch Evakuieren oder durch Spülen mit einem Inertgas. Gleichzeitig mit dem Abtrennen des Bindemittels wird der gebildete Silizium-Festkörper auf Raumtemperatur abgekühlt.

Figur 8 zeigt eine Detailansicht des in Fig. 6 mit A gekennzeichneten Bereichs des Si-Wafers 10. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass das Material der Spiralfeder 20 unterschiedlich sein kann. Die Vereinzelung der Spiralfeder 20 erfolgt bevorzugt durch ein Trockenätzverfahren, wodurch das die Spiralfeder 20 umgebende Material 21 abgetragen wird.

Die in Figur 9 in idealisierter Weise als Kugeln dargestellten Silizium - Partikel 40 weisen jeweils einen mittleren Durchmesser D zwischen 0,03 pm bis 1 pm auf. Es ist eine schematische Teilansicht eines vertikalen Schnitts dargestellt, wobei zwei gegenüberliegende Seitenflächen 30 der Spiralfeder 20 zum Teil dargestellt sind. Zwischen den einzelnen Silizium-Partikeln 40 sind die Poren 42 zu erkennen, die sich aufgrund des Sinterprozesses ausgebildet haben. Die Poren 42 weisen einen maximalen Durchmesser P von 0,001 pm bis 1 pm bevorzugt 0,01 pm bis 0,3 pm auf. Der durch die Verdichtung einer homogenisierten Mischung aus Silizium- Partikeln 1 und dem Bindemittel Polyvinylalkohol erzeugte Festkörper (Si-Wafer 10) weist eine Dichte von zumindest 95%, bevorzugt zumindest 99% der Dichte von kristallinem Silizium auf. Je nach Wahl der Größenverteilung der Silizium-Partikel 40, kann die Dichte des gesinterten Festkörpers bis zu 99,9% der Dichte von kristallinem Silizium entsprechen.

Die Schicht 34 auf der Silizium Oberfläche bildet sich im Laufe der Behandlung des Si-Wafers 10 aus. Im Laufe der Ausbildung der Schicht 34 auf der Silizium - Oberfläche bilden sich mehrere Anker 44 aus Siliziumoxid bzw. Siliziumdioxid in- nerhalb des Si-Wafers 10 aus, die die oben beschriebenen Materialeigenschaften aufweisen. Die einzelnen Silizium-Partikel 1 ordnen sich während des Verdichtens in Schichten 45 _! , 45 ₂ , .. ,4 5 _n an. Aufgrund der Größenverteilung der Silizium - Partikel 40 und der Größenverteilung der Poren 42 im Si-Wafer 10 können die Schichten 45 _! , 45 ₂ , .., 45 _n nur schematisch eingezeichnet werden. Die Größenverteilung der Poren 42 im Si-Wafer 10 und die Behandlungsparameter im Ofen bei der Herstellung der Schicht 34 auf der Silizium - Oberfläche bewirken, dass sich der größte Anteil der Anker 44 aus Siliziumoxid zumindest bis in die zweite Schicht 45 ₂ bzw. 45 _n- i aus Silizium-Partikeln 40 erstreckt. Die so hergestellte Spiralfeder weist hervorragende Eigenschaften im Hinblick auf Temperaturverhalten und hervorragende mechanische Stabilität auf.

Figuren 10 bis 13, 15 zeigen Aufnahmen mit einem elektronischen Rastermikroskop von einem Schnitt des Randbereichs einer Windung einer Spiralfeder, wobei die Draufsicht auf die Höhe h der Spiralfeder dargestellt ist. Figur 10 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Figur 1 1 , und Figur 12 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Figur 13.

Die Figuren 10 und 1 1 zeigen bezüglich einer ersten Probe einen Ausschnitt des Querschnitts 24 einer Windung 22 einer ersten Spiralfeder, wobei die Rauheit auf der fertigen Außenfläche 39 der Windung 22 der ersten Spiralfeder vergleichsweise groß ist. (Die fertige Außenfläche 39 entspricht auch der Seitenfläche 16 in Figur 9.)

Die Figuren 12 und 13 zeigen bezüglich einer zweiten Probe einen Ausschnitt des Querschnitts 24 einer Windung 22 einer anderen zweiten Spiralfeder, wobei die Rauheit auf der fertigen Außenfläche 39 der Windung 22 der zweiten Spiralfeder der Figuren 12 und 13 im Vergleich zu den Figuren 10 und 1 1 klein ist.

Die fertige Außenfläche 39 der Windung 22 der jeweiligen Spiralfeder entspricht der Außenfläche der jeweiligen fertigen mindestens einen Schicht Siliziumdioxid 34, also nach Abschluss des Trennvorgangs der jeweiligen Spiralfeder vom Träger, beispielsweise vom Silizium-Wafer 10, und nach Abschluss des Oxidiervorgangs zum Erzeugen der mindestens einen Schicht Siliziumdioxid 34 (vgl. beispielsweise Figuren 5 bis 9 und die Beschreibung dazu).

In den Ausführungen zu den Figuren 3 und 4 wird die Rauheit bzw. Rautiefe R des Materials des Übergangs bzw. Grenzbereichs 30 zur mindestens einen Oxidschicht insbesondere Siliziumdioxidschicht 34 betrachtet. Dieses Material kann beispielsweise amorphes und/oder polykristallines und/oder monokristallines Silizium, beispielsweise Schichten 2, 4, 12, 14 aus anisotropen Silizium-Kristallen, Schichten 3, 1 1 , 13 aus im Wesentlichen isotropen Silizium(-5) Kristallen, mit jeweils anisotropen Silizium-Kristallen 8 bzw. isotropen Silizium-Kristallen 9 sein. Es gibt jedoch auch einen direkten Zusammenhang zwischen einerseits der Rautiefe der Ausgangsoberfläche 38 für das Aufbringen der mindestens einen Schicht Siliziumdioxid 34, also beispielsweise der geätzten Silizium-Seitenfläche 38 gemäß Figur 6, und andererseits der fertigen Außenfläche 39 der aufgewachsenen Oxidschicht 34. Wie man in den Fig. 10 bis 13 erkennen kann und oben bereits be- schrieben, weisen die aus den zwei unterschiedlichen fertigen Proben bezüglich der ersten Spiralfeder 20 (siehe Figur 10 und 1 1 ) und der zweiten Spiralfeder 20 (siehe Figur 12 und 13) resultierenden fertigen Außenflächen 39 stark unterschiedliche Rautiefen auf. Die vergleichsweise große Rauheit auf der fertigen Außenfläche 39 der Windung 22 der ersten Spiralfeder 20 gemäß den Figuren 10 und 1 1 hat den Nachteil, dass beim zugehörigen Bauteil bzw. Funktionselement 8 bzw. Spiralfeder 20 mit immer größerer Rauheit auch die Stabilität sinkt und die Bruchgefahr steigt, wie zuvor bereits ausführlich an diversen Stellen beschrieben.

Eine Rautiefe R _z der Ausgangsoberfläche 38 in Höhe von 0,001 pm bis 3 pm, bevorzugt von 0,01 pm bis 2pm, hat sich als ideal in Bezug auf die Verminderung von Spannungen in der fertigen Spiralfeder 20 herausgestellt. Dazu sollte die Rautiefe R _z der fertigen Außenfläche 39 0,001 m bis 2 pm betragen.

Figur 14 zeigt eine perspektivische Aufnahme mit einem elektronischen Rastermikroskop eines Bereichs einer Windung 22 der Spiralfeder. Figur 16 zeigt verschiedene mikroskopische Aufnahmen einer aus polykristallinem Silizium hergestellten und mit Siliziumoxid beschichteten Spiralfeder.

Figur 17 zeigt verschiedene mikroskopische Aufnahmen einer aus monokristallinem Silizium 36 hergestellten und mit Siliziumdioxid 34 beschichteten Spiralfeder. Figur 18 zeigt eine schematische Ansicht eines Querschnitts einer Spiralfeder 20, bei der die Siliziumkristalle 36 nicht homogenisiert sind und mit zunehmender Höhe h der Spiralfeder 20 in ihrer Größe zunehmen.

Figur 19 zeigt eine schematische Ansicht eines Querschnitts einer Spiralfeder 20, bei der die Siliziumkristalle 36 durch einen speziellen Prozess, beispielsweise Tempern, wie oben beschrieben, homogenisiert sind und somit eine weitgehen homogene Größenverteilung entlang der Höhe h der Spiralfeder 20 aufweisen.

Figur 20 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils der Spiralfeder 20 zur Verdeutlichung der sich aufgrund der Erfindung ergebenden Biegesteifigkeit, wie oben bereits beschrieben.

Bezugszeichenliste

1 erste Schicht aus Siliziumoxid

2 zweite Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen

3 dritte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-5 Kristallen

4 vierte Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen

5 fünfte Schicht aus Siliziumoxid

8 anisotrope Silizium-Kristalle

9 isotrope Silizium-Kristalle

10 Silizium-Wafer

10.1 Opferschicht aus Siliziumdioxid

1 1 erste Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen

12 zweite Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen

13 dritte Schicht aus im Wesentlichen isotropen Silizium-Kristallen 14 vierte Schicht aus anisotropen Silizium-Kristallen

20 Spiralfeder

21 umgebendes Material

22 Windung

24 Querschnitt

25 Kern

26 Bereich

27 Umhüllung

28 Anker aus Siliziumdioxid

30 Seitenfläche

31 Grenzbereich

32 Mittellinie

34 Schicht aus Siliziumdioxid

36 Kristall (Siliziummaterial)

38 Ausgangsoberfläche

39 fertige Außenfläche

40 Silizium-Partikel 42 Poren

44 Anker

45!, 45 ₂ ,..., 45 _n Schichten

A Spiralfederachse

b Breite der Spiralfeder

E Spiralfederebene

F Kraft

F1 . F2. F3 Fläche

S Spiralfederbefestigungsabschnitt h Höhe der Spiralfeder

H Federhaltepunkt

R Rauheit (Rautiefe)

ß Winkel