專利名稱：異質liga 方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種通過UV(紫外線)光刻法和電沉積制造金屬零件的方法。更準確地說，本發(fā)明涉及這種類型用于制造零件的方法，該零件至少包括由第一金屬制成的第一元件，該第一元件插入由第二金屬制成的第二元件中。
背景技術：
通過UV光刻法和電沉積制造零件的最有名的方法是基于LIGA-UV技術的那些方法。最初，LIGA(Lithographie Galvanik Abformung，光亥lj、電鑄和注塑)技術由 W. Ehrfled of Karlsruhe Kernforschungszentrum(德國)在1980年代研究開發(fā)出來。已證明它對制
造高精度金屬顯微結構很有利。LIGA技術的原理是在導電襯底或涂覆有導電涂層的襯底上沉積一層光敏樹脂， 經(jīng)由同步加速器穿過與所需顯微結構的輪廓一致的掩膜實施X照射；顯影，即，通過物理或化學手段除去光敏樹脂的未經(jīng)輻照部分以便限定形成具有顯微結構的輪廓的模型，在光敏樹脂模型中電沉積一種金屬(通常是鎳)，然后除去模型以便釋放顯微結構。所得到的顯微結構的質量無可指責，但對提供昂貴的設備(同步加速器)的需要使得該技術不能與必須有低單位成本的顯微結構的成批生產(chǎn)相兼容。這就是為什么在LIGA方法的基礎上開發(fā)研究出類似方法的原因，但該類似方法使用紫外線照射(UV)光敏樹脂。這種類型的方法例如由A. B. Frazier等人在出版物中公開，標題為“用光敏聚酰亞胺電鍍模型制造的金屬顯微結構(Metal Microstructures Fabricated Using PhotosensitivePolyimide Electroplating Molds)，，,見“顯微機電系統(tǒng)雜志(Journal ofMicro electro mechanical system) Vol. 2,N deg. 2 June 1003。該文公開了通過在聚酰亞胺基光敏樹脂模型中電鍍金屬來制造金屬結構的方法。方法包括以下步驟-在襯底上形成用于隨后電沉積步驟的犧牲金屬層和打底(strike)層，-涂覆一層光敏聚酰亞胺，-穿過與所需顯微結構的輪廓一致的掩膜UV照射聚酰亞胺層，-通過溶解聚酰亞胺層的未經(jīng)照射部分進行顯影以得到聚酰亞胺模型，-在模型的開口部分中將鎳電沉積到所述模型的頂部上，-除去犧牲層并使所得到的金屬結構與襯底分離，和-除去聚酰亞胺模型。根據(jù)現(xiàn)有技術的方法所得到的顯微結構是用單一金屬制成的金屬顯微結構，該單一金屬制成的顯微結構尤其是用于計時制造應用，不一定是最佳。實際上，由于美觀、磨擦或更一般地機械原因，制造包括由第一金屬制成的至少一個零件的雙金屬顯微結構是有利的，該至少一個零件插入由第二金屬制成的零件中。通常，為了制造這種雙金屬顯微結構，由第一金屬制成的插入件(或多個插入件) 以傳統(tǒng)方法通過鑲嵌(setting)、卷邊、經(jīng)螺紋件連接或沖壓操作添加到由第二金屬制成的
3零件上。EP專利No. 1916567公開了一種通過光刻法制造零件、添加插入件和電鑄的混合方法。該方法要求裝配至少兩個元件，一個元件用光刻法和電鍍生長得到，另一個元件用另外的制造方法得到，方法包括以下步驟-穿過掩膜照射涂覆到襯底上的光敏樹脂層；-顯影光敏層以便形成聚合的樹脂模型；-將用另外的制造方法得到的添加元件放在聚合樹脂模型中；-從樹脂模型的底部電沉積金屬層，使得金屬層保持全部或一部分添加元件；-通過將襯底與保持添加元件的金屬層分離并除去聚合樹脂模件得到零件。很顯然，在上述方法結束時，添加元件已經(jīng)插入制造的零件中。因此，能省去隨后的鑲嵌、卷邊、經(jīng)螺紋件連接或沖壓等操作。上面說明的方法有一些缺點。因為插入件通過從別的地方添加的元件形成，所以它必需高度精確放置在樹脂模型中。根據(jù)上述現(xiàn)有技術文獻，添加元件的精確定位是通過聚合樹脂模型的特殊構型得到。實際上，根據(jù)該文獻，樹脂層配置成使其一部分能用作添加元件的導向件。顯然，該方法大大限制了顯微結構制造的形狀的選擇。因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于制造雙金屬零件的方法，該雙金屬零件至少包括由第一金屬制成的第一元件，該第一元件插入由第二金屬制成的第二元件中。該方法在定位插入件時能提供微米級精度，同時在顯微結構的形狀方面能提供最大可能的選擇自由度。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明涉及一種通過UV光刻法和電沉積制造金屬零件的方法，其特征在于它包括以下步驟a)提供具有導電表面的襯底；b)用第一層光敏樹脂涂覆導電表面；c)穿過與所需圖形空腔一致的掩膜照射第一層光敏樹脂；d)顯影第一層光敏樹脂以便在其中形成開口并因此得到第一樹脂模型，第一樹脂模型中的開口顯露襯底的導電表面；e)通過在第一樹脂模型的開口中電沉積第一金屬來電鑄第一元件；f)通過除去形成第一模型的光敏樹脂露出襯底的導電表面，或者，在第一光敏樹脂層上沉積一薄金屬層以便形成新的導電表面；g)將露出的導電表面和第一元件涂覆新的光敏樹脂層；h)穿過與所述圖形空腔一致的掩膜照射新光敏樹脂層；i)顯影新光敏樹脂層以便在其中形成開口并因此得到新樹脂模型，新樹脂模型中的開口顯露第一元件和襯底的導電表面或新導電表面；j)通過在新樹脂模型的開口中電沉積第二金屬來電鑄第二元件；k)通過使第二元件與襯底分離并除去形成新模型的光敏樹脂來剝離第二元件。很顯然，利用本發(fā)明的方法，插入件用與其余部分相同的技術制成。因此，該方法的第一優(yōu)點是用第一金屬制成的插入件(即第一元件)能在具有LIGA技術所特有的全微米級精度的情況下相對于第二元件定位。


通過閱讀下面僅作為例子給出并參照附圖所作的說明會更清楚根據(jù)本發(fā)明的方法的其它特點和優(yōu)點，其中-圖1-12示出本發(fā)明的方法的具體實施方案的不同方法步驟。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的方法包括采取具有導電表面的襯底的步驟。在附圖中所示的具體實施方案中，襯底1用其上事先通過真空電鍍法沉積有導電層2(圖1)的硅、玻璃、或陶瓷片形成。導電層2在隨后的電沉積期間用作打底層，即陰極。通常打底層2能由涂覆有金或銅層的鉻或鈦的下層形成。根據(jù)未示出的不同方案，為了便于隨后零件與襯底分離，首先在襯底上沉積與其它層粘聚或粘附性程度低的一層。該層稱為犧牲層，它能很容易破裂，以便在方法結束時能將多級金屬結構與襯底分離。犧牲層能例如通過真空電鍍由鋁制成。該層的厚度可能約為 0.1微米。根據(jù)還有另一個不同方案，同一金屬化層能實現(xiàn)犧牲層和打底層的功能二者。此外，代替用真空電鍍法來形成犧牲層，還可以在第一打底層上通過電沉積形成犧牲層?；蛘?，襯底能用不銹鋼或其它金屬板形成。顯然，在這些條件下，不必沉積導電層。 然而，打底表面一般在使用之前必須弄干凈。下一個步驟(圖2、是用第一光敏樹脂層3涂覆襯底的導電表面。在本實施例中， 用于該第一層的樹脂是標準正性光致抗蝕劑如Siipley S1818或TOK C-IOOO0這種類型的光敏樹脂制備能用光刻法構造的不同的層。這些層的厚度通常在2和5微米之間，且在 C-1000情況下可以高達約20微米?；蛘?，人們會選擇從Microchem Corporation購買的SU-8。該樹脂形成設計用來在UV(紫外線)照射的作用下聚合的負性光致抗蝕劑。SU-8的優(yōu)點是它形成相當厚的能通過光刻法構造的層。SU-8的缺點是當剝離通過電鍍生長的金屬元件時更難以去除。因此當人們希望制造厚度小于幾微米的插入件時優(yōu)選地選擇正性光敏樹脂。不管發(fā)生什么情況， 很顯然，本發(fā)明不限于特定類型的光敏樹脂。本領域的技術人員知道如何從適合于UV光刻法的所有眾所周知的樹脂中選擇滿足他們要求的光敏樹脂。樹脂3能用本領域的技術人員眾所周知的技術沉積在打底層2上；例如旋轉涂覆、 柱面涂覆(cylinder application)、或樹脂膜層積等。視所用的厚度和技術而定，樹脂能一次或多次進行沉積。根據(jù)形成本說明的主題的具體實施方案，在步驟b)之后再將樹脂層3加熱到在90 和95°C之間足夠的時間來使溶劑蒸發(fā)(預烘/前烘)。然而，本領域的技術人員應該理解， 視所用樹脂的性質而定，該加熱步驟可以不需要。方法的下一個步驟(圖3)是用UV照射穿過限定形成一個或多個待形成金屬插入件的輪廓的掩膜4的開口照射樹脂層。該UV照射可以例如通過強度峰值在365和410nm 處的光刻法掩膜對準機(未示出)實現(xiàn)。照射強度取決于樹脂的厚度。照射強度通常介于在365nm波長處測得的200和lOOOmJ/cm2之間。后烘步驟可能是必要的，以便完成由UV照射導致的聚合作用。在像本實施例中所用的正性光致光蝕劑的情況下，后烘步驟優(yōu)選地在 90和95°C之間實施幾分鐘。曝光區(qū)3a隨后能用合適的顯影液溶解。然而，未曝光的(聚合的)區(qū)域北變得對絕大多數(shù)顯影液不敏感。方法的下一個步驟(圖4)是將第一光敏樹脂層3顯影。在本實施例中，所用的光致抗蝕劑是正性光致抗蝕劑。在這些條件下，顯影光致抗蝕劑是指蝕刻它，以便溶解曝光區(qū) 3a并顯露襯底1的導電層2。然而，很顯然，在負性致抗蝕劑的情況下，溶解的是未曝光區(qū) 3b。本領域的技術人員知道如何根據(jù)光敏抗蝕劑制造廠家說明書選擇合適的顯影液用于光致抗蝕劑顯影階段。根據(jù)有利的不同方案，能通過瞬時等離子體曝光完善顯影步驟，以便合適地清潔樹脂模型并在用于下一步驟的制備時使其表面活化。使表面活化改進了電沉積的打底和規(guī)則性。方法的下一個步驟(圖幻是通過在第一樹脂模型北的開口中電沉積第一金屬來電鑄第一元件5 (或者，換句話說，一個或多個插入件)。在本實施例中，插入件用金制成。然而，本領域的技術人員應該理解，也能使用許多其它金屬。對于具有裝飾功能的插入件，人們能列舉尤其是鉬、鈀、銀和銠。本領域的技術人員知道如何根據(jù)待沉積的金屬或合金確定用于電沉積的條件，尤其是浴液成分，系統(tǒng)幾何形狀、電流電壓和密度。例如，能參見在L.J. Durney指導下由Di Bari G. A.主編的“電鑄”電鍍工程手冊 ("electroforming"Electroplating Engineering Handbook),第四版，由美國紐約的 Van Nostrand Reinhold Company Inc. 1984 年出版。根據(jù)本發(fā)明的方法的第一不同方案，方法的下一個步驟(圖6)是通過除去形成第一模型北的聚合樹脂剝離第一元件5。本領域的技術人員知道如何選擇用于除去樹脂模型 3b的合適浴液而不浸蝕形成電鑄元件5的金屬或打底層2的金屬。在某些情況下，為了完全除去樹脂，可能必需通過使用等離子體蝕刻完成或代替在溶液中使用試劑。尤其是當模型用SU-8制成時一般是這種情況。根據(jù)第二不同方案(附圖中未示出)，代替剝離第一元件5，在由剛形成的第一模型北和元件5的頂部所形成的表面上真空電鍍稱為粘著層的金屬層。粘著層的功能是形成新的導電打底表面，用于隨后第二元件的電鑄。方法的下一個步驟(圖7)是用新的光敏樹脂層7涂覆導電表面2和第一元件 5 (或者，涂覆新導電表面)。所用的樹脂優(yōu)選地是購自MicroChem的八功能環(huán)氧樹脂(已經(jīng)提到的)，標號為SU-8。該樹脂還具有從三芳基銃鹽類(例如美國專利No. 4058401所公開的)中選擇的光引發(fā)劑。該樹脂形成設計用來在UV照射的作用下聚合的負性光致抗蝕劑。然而，本領域的技術人員應該理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，能使用任何其它的(正性或負性)光致抗蝕劑代替SU-8。樹脂7能用本領域的技術人員眾所周知的任何技術沉積在打底層2上；例如旋轉涂覆、柱面涂覆、或者，如果是薄膜樹脂的話，層積等。光敏樹脂層3的厚度通常包括在150 和600微米之間。視厚度和所用的技術而定，樹脂能沉積一次或多次。方法的下一個步驟(圖8)是用UV照射穿過與所需圖形空腔一致的掩膜8照射新的光敏樹脂層。在負性光致抗蝕劑例如SU-8的情況下，未曝光區(qū)7a能隨后用合適的顯影液溶解。然而，曝光的(聚合的)區(qū)7b變得對絕大多數(shù)顯影液不敏感。后烘步驟可能是必要的，以便完成由UV照射導致的聚合作用。在負性光致抗蝕劑例如SU-8的情況下，后烘步
6驟優(yōu)選在90和95°C之間實施達到從幾秒到幾個小時的一段時間。方法的下一個步驟(圖9)是顯影新的光敏樹脂層，即溶解其未曝光區(qū)，以便形成新的樹脂模型7b。新模型的開口顯露出第一元件5和襯底的導電表面2。如步驟d)中那樣，通過瞬時等離子體曝光能改進顯影步驟，以便合適地清潔樹脂模型并在下一個步驟的制備時使樹脂模型的表面活化。方法的下一個步驟(圖10)是通過在新樹脂模型7b的一個或多個開口中電沉積第二元件10來電鑄第二原件10。通過小心地選擇方法中所用的兩種金屬，本領域的技術人員可以使雙金屬零件具有所需的美觀或機械性能。在本申請的上下文中，“金屬”當然包括金屬合金。通常，第二金屬選自鎳、銅、金、銀、鎳-鐵和鎳磷的組中。本領域的技術人員應該理解，本發(fā)明不僅限于裝飾應用。插入用第二金屬制成的第二元件中的用第一金屬制成的第一元件的功能也可以是機械或磨擦功能。作為例子，能制造具有插入件的金屬表針，該插入件用位于表針后面的非常致密的材料制成。該插入件用作表針度盤的配重。根據(jù)具體的實施例，鎳指針(密度8. 9)能例如具有大的金插入件 (密度19.3)作為配重。應該說明，待用作配重的插入件優(yōu)選地很厚(大于約100微米)， 以使它的重量足夠具有所需的效果。一旦第二元件10被電鑄，則可能必需通過磨光和拋光將第二元件的頂表面調(diào)平。 視襯底的堅固度而定，該調(diào)平操作可以在電沉積之后雙金屬零件與襯底分離之前立即進行。方法的下一個步驟(圖11)是通過使第二元件與襯底分離并除去形成新模型的光敏樹脂來剝離第二元件。根據(jù)有利的不同方案，首先是從襯底拆卸由樹脂模型和上述步驟期間電鑄的雙金屬零件所形成的組件。然而，本領域的技術人員應該理解，根據(jù)可供選擇的不同方案，在使雙金屬零件與襯底分離之前，首先除去形成模型的聚合樹脂也是可行的。當襯底由硅片形成時，能通過在氫氧化鉀(KOH)或TMAH(氫氧化四甲銨)浴液中將該硅片溶解而除去硅片。如果襯底由玻璃或陶瓷片形成，則上述KOH或TMAH不能溶解該玻璃或陶瓷片。因此分離襯底必需在犧牲層處發(fā)生。視在方法開始時所形成的犧牲層的性質而定，襯底可以例如通過溶解犧牲層(例如，如果該犧牲層用鋁制成，則用Κ0Η)或者相反不用任何化學試劑簡單地通過使犧牲層分層而與雙金屬層分離。視所用的材料而定，也能省去犧牲層。尤其是，當襯底是實心金屬板時，情況正是這樣。這種板在理論上可以簡單地通過分層而與雙金屬零件和樹脂拆開。一旦雙金屬零件和樹脂模型與襯底拆開，則聚合樹脂模型也必需除去以便釋放金屬零件。在形成本申請說明書的主題的實施例中，方法還包括最后的步驟(圖12)，該最后的步驟是通過磨光和拋光操作調(diào)平雙金屬零件的頂部部分。另外，很顯然，在不脫離如所附權利要求書所述本發(fā)明的范圍的情況下，本領域的技術人員顯然可以對形成本說明書的主題的實施方案進行許多不同的修改和/或改進。顯然，在同一襯底上可以同時制成多個相同或不同的雙金屬零件。
權利要求
1.制造金屬顯微結構的方法，該金屬顯微結構至少包括用第一金屬材料制成的第一元件(5)，該第一元件插入由第二金屬材料制成的第二元件(10)中，其特征在于，所述方法包括以下步驟a)提供具有導電打底表面O)的襯底(1、2)；b)-d)通過UV光刻法形成第一樹脂模型C3b)，該第一樹脂模型中的開口顯露出襯底的導電打底表面O)；e)通過在第一樹脂模型(3b)的開口中電沉積第一金屬材料來電鑄第一元件(5)；f)除去第一元件(5)周圍的第一模型(3b)以便露出襯底的導電打底表面(2)；g)-i)通過UV光刻法形成新的樹脂模型，在新樹脂模型(7b)中的開口顯露出第一元件 (5)和襯底的導電打底表面⑵；j)通過在新樹脂模型(7b)的開口中電沉積第二金屬材料來電鑄第二元件(10)，以便形成所述金屬顯微結構；k)使所述金屬顯微結構與襯底(1)和所述新模型(7b)分離。
2.根據(jù)權利要求1所述的制造方法，其特征在于，步驟b)-d)和g)_i)分別包括用光敏樹脂層(3、7)涂覆襯底的表面、穿過與所需圖形空腔一致的掩膜(4、8)照射光敏樹脂層 (3,7)及顯影光敏樹脂層(3、7)以便在光敏樹脂層中制成所述開口。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，它包括在步驟e)和/或步驟j) 之前，用于清洗和活化襯底(1)上存在的樹脂(3、7)的表面的等離子體曝光步驟。
4.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的制造方法，其特征在于，它包括在步驟j)之后調(diào)平金屬顯微結構的步驟η)。
5.根據(jù)權利要求1、2或3所述的制造方法，其特征在于，它包括在步驟k)之后調(diào)平金屬顯微結構的步驟η)。
6.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的制造方法，其特征在于，襯底(1)還包括促進步驟k)的犧牲層。
7.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的制造方法，其特征在于，襯底(1)由硅、玻璃或陶瓷材料形成。
8.根據(jù)權利要求7所述的制造方法，其特征在于，導電打底表面( 由鉻和金層堆疊形成。
9.根據(jù)權利要求1-6中任一項所述的制造方法，其特征在于，襯底(1)由不銹鋼或形成所述導電打底表面的金屬形成。
10.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的制造方法，其特征在于，在同一襯底(1)上同時制成多個顯微結構。
全文摘要
本發(fā)明涉及制造金屬顯微結構的方法，該方法包括以下步驟a)提供具有導電打底表面(2)的襯底(1、2)；b)-d)通過UV光刻法形成第一樹脂模型(3b)，第一樹脂模型中的開口露出襯底的導電打底表面(2)；e)通過在第一樹脂模型(3b)的開口中電沉積第一金屬材料來電鑄第一元件(5)；f)除去第一元件(5)周圍的第一模型(3b)以便露出襯底的導電打底表面(2)；g)-i)通過UV光刻法形成新的樹脂模型(7b)，新樹脂模型中的開口露出第一元件(5)及襯底的導電打底表面(2)；j)通過在新樹脂模型(7b)的開口中電沉積第二金屬材料來電鑄第二元件(10)以便形成所述金屬顯微結構；k)使所述金屬顯微結構與襯底(1)和所述新模型(7b)分離。
文檔編號C25D1/00GK102197165SQ200980142873
公開日2011年9月21日 申請日期2009年10月7日 優(yōu)先權日2008年10月28日
發(fā)明者G·雷-梅爾梅特 申請人:尼瓦洛克斯-法爾股份有限公司