CN102459713B - 制造金属微观结构的方法以及根据该方法获得的微观结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造多个金属微观结构的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：a)获得导电衬底或涂覆有导电种子层的绝缘衬底；b)在衬底表面的导电部分上施加光敏树脂层；c)将光敏树脂层的表面平整到期望的厚度和/或表面状态；d)通过限定期望的微观结构的轮廓的掩模照射树脂层；e)使光敏树脂层的非聚合区域溶解以部分地暴露衬底的导电表面；f)从所述导电层电流沉积至少一个金属层，以形成基本上达到光敏树脂的上表面的单元；g)使树脂和电铸金属平整以使树脂和电铸单元达到同一水平并且由此形成电铸部件或微观结构；h)使树脂层和电铸部件与衬底分离；以及i)在步骤g)结束时从所获得的结构移除光敏树脂层以释放由此形成的微观结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过LIGA类型的技术制造金属微观结构的方法。具体地，本发明涉及一种该类型的用于制造较之现有技术的方法具有更精确和更好控制的尺寸特征的微观结构的方法。本发明还涉及一种经由该方法获得的该类型的金属部件。
背景技术
德国卡尔斯鲁核研究中心的W.Ehrfeld在1980年代开发的LIGA（Lithographie Galvanik Abformung，光刻电镀成型）技术已证实有利于制造高精度的金属微观结构。
LIGA技术的原理在于，在导电衬底或者涂覆有导电层的衬底上沉积光敏树脂层；借助于同步加速器通过与期望的微观结构的轮廓匹配的掩模执行X照射；使光敏树脂层的未被照射的部分显影，即通过物理或化学手段移除该部分，以便限定具有微观结构的轮廓的模具；在光敏树脂模具中电流沉积金属，该金属典型地是镍，并且随后移除该模具以释放该微观结构。
所获得的微观结构的质量十分完美，但是对实现昂贵的设备（同步加速器）的要求使得该技术不适合具有低的单位成本的微观结构的大量生产。
这是基于LIGA方法但是使用UV光敏树脂的相似方法已被开发的原因。例如在A.B. Frazier等人的题为“Metallic Microstructures Fabricated Using Photosensitive Polyimide Electroplating Molds”（Journal of Microelectromechanical systems, Vol. 2, N deg. 2, June 1993）的出版物中描述了一种该类型的方法，用于通过在基于光敏聚酰亚胺的模具中电镀金属来制造金属结构。该方法包括如下步骤：
- 创建牺牲金属层和种子层用于后续的电镀步骤；
- 施加光敏聚酰亚胺树脂层；
- 通过与期望的微观结构的轮廓匹配的掩模使聚酰亚胺树脂层暴露于UV辐射下；
- 通过溶解使聚酰亚胺层的未被照射的部分显影以便获得多个聚酰亚胺模具；
- 在该模具的开放部分中电流沉积镍直到所述模具的高度；
- 使所获得的金属结构与衬底分离；以及
- 移除聚酰亚胺模具以释放电铸金属部件。
因此批量地获得了电铸微观结构或部件。一旦获得这些部件，将这些部件分离并且必须将它们结合回板以便加工和/或研磨到期望的厚度和表面状态。
这些步骤需要长的处理时间并且包括将部件错误地布置在所述板上的相当大的风险，特别是在电铸部件具有小尺寸（典型地是具有小于1毫米的尺寸的部件）的情况下。这些方法牵涉废品率并且因此导致生产成本不适合工业方法的要求。
此外，现有技术的方法需要沉积电铸材料，该电铸材料大到足以确保所有部件达到它们的最小厚度，而与衬底表面处的树脂的厚度变化无关。这因此导致了电镀材料的浪费。
事实上，所沉积的用于形成模具的树脂的厚度变化对于当前的沉积方法（典型地是旋涂或喷涂）是固有的。在这一点上应注意，其中形成模具的树脂层的不均匀性意味着必须以考虑最大厚度和最小厚度的设置来照射树脂。这导致了模具平面中的几何尺寸离差的增加。
因此需要一种克服这些缺陷的方法。
发明内容
除其他之外，本发明的目的在于通过提供一种用于制造部件或微观结构的方法来克服上述缺陷，这些部件或微观结构较之通过现有技术的方法获得的部件或微观结构具有更好控制的和更精确的厚度和表面状态。
本发明还涉及一种该类型的方法，其从制造时间和电镀材料数量两个方面降低了电铸成本。
本发明的目的还在于改进光刻曝光的均匀性并且因此改进在同一衬底的表面上生产的部件的几何均匀性。
本发明的另一目的在于提供一种该类型的方法，其实现起来是简单和廉价的。
因此本发明涉及一种制造多个金属部件或微观结构的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
a) 取得导电衬底或涂覆有导电种子层的绝缘衬底；
b) 在衬底表面的导电部分上施加光敏树脂层；
c) 将光敏树脂层的表面平整或齐平到期望的厚度和/或表面状态；
d) 通过限定期望的微观结构的轮廓的掩模照射树脂层；
e) 使光敏树脂层的非聚合区域溶解以在一些地方显露衬底的导电表面或者在衬底导电的情况下显露衬底；
f) 从所述导电层电流沉积至少一个金属层，以形成基本上达到光敏树脂的上表面的单元；
g) 使树脂和电铸金属平整或齐平以使树脂和电铸单元达到同一水平并且由此形成电铸部件或微观结构；
h) 使树脂层和电铸部件与衬底分离；以及
i) 从在步骤h)结束时所获得的部件或微观结构中移除光敏树脂层以释放由此形成的部件或微观结构。
因此该方法使得能够在衬底的整个表面上获得具有确定的恒定厚度的树脂层。这因此呈现具有均匀厚度的树脂层，这使得能够在针对同一衬底的各个部件的平面中以均匀的尺寸精度制造模具以及随后完成的部件。
典型地，本发明的方法对沉积的树脂厚度确保了+/-2μm的精度，而现有技术的方法限于约+/-30μm的精度（旋涂）。
此外，在电铸部件的步骤之前使树脂平整或齐平不仅使需要被电镀上的金属的数量限于在早期阶段获得部件之间的桥，如下文将解释的（节约时间），而且还提供了晶片，即一组通过材料桥彼此连接的电铸部件，该晶片在上侧具有规则得多的厚度，以确保更规则地结合到工作板上用于后续加工操作。
在多级LIGA方法的情况下，使树脂平整意味着在整个衬底上，并且因此在衬底的所有部件上获得关于不同级的厚度的紧公差。
根据本发明的特征，使用切割工具并且优选地经由包括由硬金属、陶瓷、金属碳化物、金属氮化物或金刚石制成的切割边缘部分的工具来实现平整步骤c)。
使用这样的工具执行平整步骤防止了可能因研磨或抛光工艺而导致的残留物污染树脂和/或电铸金属。此外，使用切割工具的加工对将被加工的材料（树脂或者树脂和电铸部件或者结合到工作板上的部件）的厚度差异不敏感。
根据本发明的有利的变化方案，在步骤f)期间，金属被沉积到超过模具的高度以延伸到树脂的经过平整的表面上，并由此通过金属桥将所述部件相互连接以形成晶片，步骤g)被省略，并且在步骤h）之后通过所述桥相互连接的金属部件经历如下步骤：
j) 所述部件通过其与桥相对的参考面而固定到工作板；
k) 其暴露面被加工到期望的厚度和/或表面状态，移除桥，并由此使所述部件彼此释放出来；
l) 将所述完成的部件从工作板中释放出来。
根据该第一变化方案，部件之间的金属桥：
1. 使部件能够被转移到工作板上用于厚度调整；
2. 确保部件在固定到工作板时被规则地按压到工作板上，这减小了完成的厚度尺寸的离差；
3. 确保部件被精确地和规则地布置以用于任何后续的额外的加工操作（电腐蚀、细屑移除加工、金刚石研磨、抛光、装饰等）。
换言之，在LIGA沉积期间形成金属的过度生长以创建所有部件之间的桥并且因此使得能够处置晶片，这保持了通过LIGA方法获得的部件的非常规则和精确的定位。随后可以将该晶片固定到工作板。因此可以在利用部件的精确定位的CNC机器上对这些部件进行机械加工（可以将标记直接电铸到晶片上）。
根据本发明的方法在移除电铸材料的桥之后有利地维持部件的精确的和规则的布置，以便为商业生产而通过加工形成多级部件，借助于数控机器或机器人来形成装饰、形成涂层（有选择地或者完全地）、形成槽或锪平面、批量装配等。
根据第二变化方案，省略了布置g)并且在分离步骤h)之后，电铸部件不再彼此连接，并且这些部件经历如下步骤：
m) 将转移带施加到与所述部件的参考面相对的面；
n) 所述部件经由其与带相对的参考面被固定到工作板；
o) 对暴露面进行加工以向所述部件提供期望的厚度和/或表面状态；
p) 将所述完成的部件从工作板释放出来。
根据第三变化方案，在分离步骤h)之后，电铸部件不通过金属桥，而是通过树脂彼此连接。这些部件随后经历如下步骤：
q) 将这些部件通过其参考面固定到工作板；
r）对暴露面进行加工以向所述部件提供期望的厚度和/或表面状态；
s) 将所述完成的部件从工作板释放出来。
根据本发明的有利特征，在步骤k)之前，在仍固定到工作板的同时，使这些部件经历被加工到其厚度的步骤。
显然，上述步骤k)、o)、r)可以通过切割工具执行。
本发明的方法在钟表机芯或工具的微机械部件的制造中找到了特别有利的应用。具体地，这些部件可以选自包括以下的组：齿轮、擒纵轮、托板、枢轴式部件、跳簧、平衡弹簧和被动部件、凸轮、按钮、夹头、模具、心轴、桩和用于电腐蚀的电极。
附图说明
根据下文对根据本发明的方法的一个实施例的详细描述，本发明的其他特征和优点将更清楚地显现，该示例仅通过参照附图的非限制性图示给出，在附图中：
图1a至1h图示了用于制造多个齿轮的本发明的第一实施例的方法步骤；
图2a至2k图示了本发明的第一变化方案；
图3a至3k图示了本发明的第二变化方案；
图4a至4j图示了本发明的第三变化方案。
具体实施方式
将参照图1a至1h描述第一实施例。
在本发明的方法的步骤a)中使用的衬底1例如由硅、玻璃或陶瓷晶片形成，在该衬底上已通过蒸发沉积了种子层，即能够开始电铸反应的层。典型地，种子层由铬层2和金层3的子层形成（图1a）。
可替换地，衬底可以由不锈钢或另一种能够开始电铸反应的金属制成。在该情况下，种子层2、3不再是必需的。在不锈钢衬底的情况下，在使用前清洁衬底。
在根据本发明的方法的步骤b)中使用的光敏树脂4优选地是可获得自Shell Chemical公司（在参考SU-8下）的八功能环氧树脂型树脂和选自三芳基硫盐的光引发剂，诸如美国专利No.4,058,401中描述的。该树脂能够通过UV辐射的作用而聚合。应注意，已被证实适用于该树脂的溶剂是γ-丁内酯（GBL）（图1b）。
可替换地，也可以在存在DNQ（重氮萘醌）光引发剂的情况下使用苯酚甲醛酚醛型树脂。
通过任何适当的手段（典型地使用旋涂机）将树脂4在衬底1上沉积到期望的厚度。典型地，树脂厚度介于150 μm和1 mm之间。依据期望的厚度和所使用的沉积技术，树脂4可以被沉积一次或多次。可替换地，树脂4也可以通过喷涂沉积。
树脂4随后被加热到80和95o之间一段取决于所沉积的厚度的时长，以便去除溶剂。该加热使树脂干燥和硬化。
在步骤c)中，衬底被安装在机器工具的工作夹具上，在该工作夹具上使硬化的光敏树脂层的表面平整到期望的厚度和/或表面状态（图1c）。该平整操作借助于切割工具5实现，以防止常规的磨耗工具的平整化引起的任何残留物污染树脂。应注意，该平整化操作优选地通过干法（即，没有任何润滑）实现以防止对树脂的任何化学污染。
典型地，该切割工具是包括硬金属、陶瓷、金属碳化物、金属氮化物或金刚石的切割边缘部分的工具。在该步骤结束时，获得了涂覆有树脂层4的衬底，该树脂层的表面优选地是平整的并且与衬底平行。树脂还具有Ra值小于25nm的表面状态或粗糙度以及公差为±2μm的期望的厚度。
因此获得的表面状态和树脂厚度的几何精度在多级方法的情况下是特别有利的，因为表面状态确定从所述表面生长的电流沉积的表面状态并且所控制的厚度保证了每个部件的每一级的尺寸。
图1d中图示的下一步骤d)包括通过掩模6借助于UV辐射照射平整化的树脂层，掩模6限定了期望的微观结构的轮廓并且因此限定了绝缘区域4a和非绝缘区域4b。典型地，该UV辐射从200至1000 mJ.cm
-2
，这是穿过层的厚度在365 nm的波长下测量的。
如果适当，可能需要使层退火的步骤以完成因UV照射导致的光聚合。该退火步骤优选地在90oC和95oC之间执行15至30 min。绝缘（光聚合）区域变得对大多数溶剂不敏感。然而，非绝缘区域随后将能够被溶剂所溶解。
图1e中图示的下一步骤e)包括使光敏树脂层的非绝缘区域4b显影以在一些地方显露衬底1的导电层3。该操作通过借助于溶剂溶解非绝缘区域4b来实现，该溶剂选自GBL（γ-丁内酯）和PGMEA（丙二醇甲醚醋酸酯）。因此形成了多个具有金属结构的轮廓的绝缘光敏树脂模具4a。
图1f中图示的下一步骤f)包括从所述导电层3将金属层电流沉积到模具中以形成多个单元7
1
、7
2
、7
3
，这些单元达到并且超过模具的高度。该背景下的金属包括金属合金。典型地，该金属可以选自包括以下的组：镍、铜、金或银以及作为合金的铜-金、镍-钴、镍-铁、镍-磷或镍-钨。
对于将要电镀的每种金属或合金，根据电铸领域中公知的技术选择电铸条件，特别是电浴的组成、***几何特征、电流密度和电压（参见例如Van Nostrand Reinhold Company Inc., N.Y. USA在1984年出版的L. J. Durney编辑的Electroplating Engineering Handbook 4th Edition中的Di Bari G.A.的“Electroforming”）。
在图1g中图示的后续步骤g)中，使电铸单元与树脂层齐平。该步骤可以通过磨耗和抛光或者利用切割工具的加工来执行以便立即获得具有平整顶表面的微观结构，特别地，该顶表面具有适合钟表工业的需要的表面状态以实现高档的机芯。
图1h中图示的下一步骤h)包括使树脂层4a和电镀单元7
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、7
2
、7
3
与衬底1分离。一旦该分层操作已被执行，则从分层的结构中移除光敏树脂层4a以释放由此形成的微观结构7
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、7
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、7
3
。为了这样做，在最终步骤中通过等离子体蚀刻移除树脂。
由此释放的微观结构可以被立即使用或者如果必要在适当的加工之后使用。
现将参照图2a至2k描述本发明的第一变化方案。在该第一变化方案中，图2a至2e中图示的步骤与图1a至1e中描述和图示的步骤相同。在该第一变化方案中，在步骤f)期间，在模具中进行电流沉积直至形成多个单元7
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、7
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、7
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，它们达到并且超过模具的高度以便延伸到光敏树脂4a的顶表面上并且形成用于使各个单元7
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、7
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彼此连接的金属桥8（图2f）。步骤g)被省略。
随后在分层步骤中使衬底1与包括树脂4a和电铸单元7
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、7
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、7
3
的组件分离（图2g）。树脂4a随后被移除以释放形成晶片9的通过桥8彼此连接的单元7
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、7
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、7
3
。典型地，通过等离子体蚀刻进行树脂4a的移除（图2h）。随后典型地将晶片9经由其与桥相对的参考面F
réf
（即，与衬底1接触的面）结合（粘合剂12）到工作板10（图2i）。通过移除桥8以形成完成的或半完成的部件，对暴露的面进行加工以使单元7
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、7
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、7
3
达到期望的厚度和/或表面状态。在该步骤期间，使所述单元7
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、7
2
、7
3
彼此释放，但是仍在粘合剂12中保持在精确的、所限定的位置上（图2i）。
在该步骤结束时，可以从工作板10释放出所述获得的部件并且随后进行清洁（图2j），或者在机器工具上重新加工以用于批量加工（图2k）。在该阶段，这些部件可以经历各种装饰和/或功能处理，其典型地是物理或化学沉积。
现将参照图3a至3k描述本发明的第二变化方案。在该第二变化方案中，图3a至3f中图示的步骤与图1a至1f中描述和图示的步骤相同。在该第二变化方案中，步骤g)也被移除并且在步骤f)之后，在分层步骤期间使衬底1与包括树脂4a和电铸单元7
1
、7
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、7
3
的组件分离（图3g）。树脂4a随后被移除以释放单元7
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、7
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、7
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。典型地，树脂的移除通过等离子体蚀刻实现（图3h）。电铸单元7
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、7
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、7
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不再彼此连接。
随后将在框架11上伸展的转移带施加到与所述单元的参考面F
réf
（即与衬底1接触的面）相对的面（图3i）。结合到转移带的单元7
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、7
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、7
3
随后典型地经由其参考面（即与衬底1接触的面）结合到工作板10（图3j）。移除框架，留下转移带。
随后通过移除转移带对单元的暴露表面进行加工以形成具有期望的厚度和/或表面状态的部件7
1
、7
2
和7
3
。在该步骤期间，所述部件彼此释放并且从转移带释放，但是仍保持在粘合剂12中（图3k）。在该步骤结束时，将所述部件从工作板10释放并且随后对所述部件进行清洁。
现将参照图4a至4j描述本发明的第三变化方案。在该第三变化方案中，图4a至4f中图示的步骤与图1a至1f中描述和图示的步骤相同。在该第三变化方案中，步骤g)也被省略。该变化方案适用于如下情况，其中包括树脂和电铸单元的组件的粘合不足以允许衬底1上的单元7
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、7
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、7
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的直接加工。在该情况下，在分层步骤中使衬底1与包括树脂4a和电铸单元7
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和7
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的组件分离（图4g）。
树脂-电铸单元组件随后经由其参考面F
réf
（即与衬底1接触的面）结合到工作板10（图4h）。随后对单元7
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、7
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和7
3
的暴露面进行加工以形成具有期望的厚度和/或表面状态的部件。由树脂4a和粘合剂12保持这些部件（图4i）。
在该步骤结束时，从工作板10释放所述部件，并且随后移除树脂4a以释放所获得的部件。典型地，通过等离子体蚀刻实现树脂的移除（图4j）。根据本发明，还应注意，在图1e、2e、3e和4e中分别图示的步骤之前，参照图1b至1d、2b至2d、3b至3d以及4b至4d图示并描述的步骤被重复至少一次以获得多级部件。
因此级数目不受限制。对于钟表应用，典型的级数目是1至5。
在制造多级树脂磨具的情况下，有利的是在步骤1d、2d、3d、4d之后在树脂上沉积导电层以允许在后续步骤1f、2f、3f、4f期间的电镀材料的规则生长。
Claims (1)
1.一种制造多个金属微观结构的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
a) 取得导电衬底或涂覆有导电种子层的绝缘衬底；
b) 在衬底表面的导电部分上施加光敏树脂层；
c) 将光敏树脂层的表面平整到期望的厚度和/或表面状态；
d) 通过限定期望的微观结构的轮廓的掩模照射光敏树脂层；
e) 使光敏树脂层的非聚合区域溶解以在一些地方显露衬底的导电表面；
f) 从所述导电层电流沉积至少一个金属层，以形成基本上达到光敏树脂层的上表面的电铸单元，该金属被沉积为超过模具的高度以延伸到光敏树脂层的经过平整的表面上，以便通过金属桥使所述电铸单元彼此连接，所述桥位于与参考面相对的面上；
h) 使光敏树脂层和电铸单元与衬底分离；
i)从电铸单元移除光敏树脂层；
j) 将电铸单元通过其参考面固定到工作板；
k) 对暴露面与所述桥一起进行加工以向所述面提供期望的厚度和/或表面状态，由此使所述电铸单元彼此释放；
l) 从工作板释放由此形成的金属微观结构。
2. 一种制造多个金属微观结构的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
a) 取得导电衬底或涂覆有导电种子层的绝缘衬底；
b) 在衬底表面的导电部分上施加光敏树脂层；
c) 将光敏树脂层的表面平整到期望的厚度和/或表面状态；
d) 通过限定期望的微观结构的轮廓的掩模照射光敏树脂层；
e) 使光敏树脂层的非聚合区域溶解以在一些地方显露衬底的导电表面；
f) 从所述导电层电流沉积至少一个金属层，以形成基本上达到光敏树脂层的上表面的电铸单元；
h) 使光敏树脂层和电铸单元与衬底分离；
i) 从电铸单元移除光敏树脂层；
m) 将转移带施加到与所述电铸单元的参考面相对的面；
n) 将电铸单元通过其参考面固定到工作板；
o) 对暴露面与所述转移带一起进行加工以向所述面提供期望的厚度和/或表面状态，由此使所述电铸单元彼此释放；
p) 从工作板释放由此形成的金属微观结构。
3. 一种制造多个金属微观结构的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
a) 取得导电衬底或涂覆有导电种子层的绝缘衬底；
b) 在衬底表面的导电部分上施加光敏树脂层；
c) 将光敏树脂层的表面平整到期望的厚度和/或表面状态；
d) 通过限定期望的微观结构的轮廓的掩模照射光敏树脂层；
e) 使光敏树脂层的非聚合区域溶解以在一些地方显露衬底的导电表面；
f) 从所述导电层电流沉积至少一个金属层，以形成基本上达到光敏树脂层的上表面的电铸单元；
h) 使光敏树脂层和电铸单元与衬底分离；
j) 将电铸单元通过其参考面固定到工作板；
r) 对暴露面与光敏树脂层一起进行加工以向所述面提供期望的厚度和/或表面状态；
s) 从工作板和光敏树脂层释放由此形成的金属微观结构。
4. 根据权利要求1，2或3所述的方法，其特征在于，使用切割工具执行平整步骤c)。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，切割工具是包括由硬金属、陶瓷、金属碳化物、金属氮化物或金刚石制成的切割边缘部分的工具。
6. 根据权利要求1，2或3所述的方法，其特征在于，在最后的释放步骤l)、p)、s)之前，在仍固定到工作板的同时，电铸单元经历加工到其厚度的步骤。
7. 根据权利要求1，2或3所述的方法，其特征在于，在最后的释放步骤l)、p)、s)之前，在仍固定到工作板的同时，电铸单元经历物理或化学沉积的步骤。
8. 根据权利要求1，2或3所述的方法，其特征在于，在溶解步骤e)之前，步骤b)、c)和d) 被重复至少一次以获得多级的金属微观结构。
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