CN101918617B - 制造金属微结构的方法和通过该方法获得的微结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制造金属微结构的方法和通过该方法获得的微结构，该方法的特征在于包括下述步骤：通过LIGA-UV型方法形成光敏树脂模，并均匀地电沉积第一金属的层，然后均匀地电沉积第二金属的层，以形成大致达到光敏树脂顶部表面的块体。
Description
本发明涉及由LIGA型技术制造金属微结构的方法。特别地，本发明涉及制造金属微结构的这类方法，所述微结构具有由第一金属制造的芯，第一金属至少部分地被第二金属的功能层覆盖，并且几何尺寸的精度直接受该方法限定。本发明还涉及由该方法获得的这类金属部件。
LIGA技术(光刻电镀压印，Lithographie Galvanik Abformung)，是在20世纪80年代由德国卡尔斯鲁厄原子核研究中心的W.Ehrfeld开发的，已被证明对于制造高精度金属微结构是有利的。
LIGA技术的原理包括：在导电基底或者覆盖有导电层的基底上沉积光敏树脂层，通过与所需微结构轮廓匹配的掩模、使用同步加速器进行X射线辐射，通过物理或化学方式将光敏树脂层的未被辐射部分显影(即移除)以界定具有微结构的轮廓的模，在光敏树脂模中电沉积金属(一般是镍)，然后移除模以释放微结构。
由此获得的微结构的性能是优良的，但是由于需要使用昂贵的设备(同步加速器)而不适于必须具有低的单一成本的微结构的大批量生产。
这就是为什么在LIGA技术的基础上已开发出使用紫外光敏树脂的类似方法的原因。例如，在A.B.Frazier等，题为“使用光敏聚酰亚胺电镀模制造的金属微结构”(Journal of Microelectromechanical Systems(微机电系统杂志)，第2卷，N deg.2，1993年6月)公开了这类方法，该方法通过在聚酰亚胺基的光敏模中电镀金属而制造金属结构。该方法包括下述步骤：
-形成将被抛弃的金属层和导电底层，用于后续电沉积步骤；
-施用光敏聚酰亚胺层；
-通过与所需微结构的轮廓匹配的掩模对聚酰亚胺层进行紫外光辐射；
-通过溶解聚酰亚胺层的非被辐射的部分而显影，以获得聚酰亚胺模；
-在所述模的开放部分电沉积镍，直到所述模的高度，和
-移除所述将被抛弃的层，将所获金属结构与基底分离，和
-移除聚酰亚胺模。
根据现有技术所获的微结构是由单一金属(通常是镍、铜、镍-磷)制造的金属微结构，它们并不总是最佳的，这取决于它们的预期用途。事实上，就机械和摩擦而言，存在着这些材料中的一种或其余的并不具有最佳性能的领域。齿轮必须具有足够的刚性，以在经受高水平应力时抵抗破损，并且必须具有低摩擦系数的齿以便于传动。因此，就力阻而言，选择金属镍是非常有利的，但镍具有较高的摩擦系数，因此其具有较不有利的摩擦性能。
解决该问题的一种方式包括通过LIGA-UV法用第一金属制造所需微结构的芯，然后通过另一传统的方法(例如，通过真空气相沉积)用第二金属覆盖所述的芯。但这类方法也存在着不易得到几何精度受控的部件的缺陷。因此需要能够克服该缺陷的方法。
本发明的目的是提供制造微结构的方法，该方法克服了上述缺陷以及其它缺陷，就其组成而言，这些微结构特别适于它们的预期用途。由此获得的微结构具有精度受到控制的几何尺寸。
本发明的另一目的是提供这类方法，该方法可制造下述微结构：该微结构具有由第一金属制造的、被第二金属的层覆盖的芯，并且其中所需几何尺寸的精度受该方法控制。
本发明的另一目的是提供这类方法，该方法实施起来简单且成本低。
因此，本发明涉及一种制造金属微结构的方法，包括下述步骤：
a)提供具有至少一个导电表面的基底；
b)在该基底的导电表面上施用光敏树脂层；
c)通过掩模照射树脂层，该掩模限定所述微结构的轮廓；
d)将光敏树脂层的未被照射的区域溶解，以在一些地方显示出基底的导电表面；
e)从基底(1)的所述导电表面和光敏树脂的导电表面均匀地电沉积第一金属的层；
f)从所述第一金属的层均匀地电沉积第二金属的层，以形成大致达到光敏树脂层顶部表面水平的块体；
g)平整树脂和沉积的金属，以使树脂和电沉积的块体处于相同的水平；
h)通过分层将树脂层和电沉积的块体与基底分离；
i)从经过分层的结构中移除光敏树脂层，以释放所形成的微结构。
该方法因此制造了成品部件，所述部件具有由第一金属制成的、覆盖有第二金属的层的芯，并且其中所需的几何尺寸精度受光敏树脂模(所述两种金属的电沉积在其中进行)的尺寸限定，换言之，受所用光刻技术精度的限定。仔细选择形成微结构的所述两种金属能使得部件的机械性能最好地适于给定的应用。例如，如果制造齿轮，则可以以精细层的形式沉积第一金属，其通常为数打微米的镍-磷层，以促进部件摩擦系数的降低，且第二金属一般以镍块的形式沉积，以使部件具有力阻。
根据本发明的一个优选实施方式，第一和第二金属具有不同的机械性能，从而形成机械性能得到优化的微结构。第一金属的摩擦系数优选低于第二金属，而第二金属比第一金属具有较高水平的力阻。第一金属例如为镍-磷合金，第二金属例如为镍。
一般地，基底的所述导电表面是由铬和金层的叠层形成的，且所述光敏树脂层的导电表面是通过将所述树脂活化而形成的。
该方法能够在相同基底上制造数个微机械结构。
根据本发明的另一实施方式，该方法进一步包括在步骤h)前的下述步骤：沉积导电底层，用限定第二轮廓的用于第二级别微结构的第二掩模重复步骤b)至g)，例如用于制造具有两种不同直径轮齿的齿轮。
本发明方法特别有利地用于制造用于计时器运转的微机械部件。特别地，所述部件可以选自由齿轮，擒纵轮，杠杆，旋转部件，定位杆簧，平衡弹簧，凸轮和被动部件组成的组。
由下面对本发明方法示例性实施方案的详细描述，可以更清楚地认识到本发明的其它特征和优势，该示例仅用于结合附图举例说明，在附图中：
-图1至图8例举了根据本发明用于制造齿轮的一个实施方案的方法的步骤。
本发明方法步骤a)中所用的基底1由例如硅、玻璃或者陶瓷晶片形成，在该基底上蒸发沉积导电底层，即能够引发电铸反应的层。该导电底层通常由铬次层2和金层3形成(图1)。
或者基底1可以由不锈钢或者能引起电铸反应的其它金属形成。如果是不锈钢基底，则首先清洁该基底。
本发明方法步骤b)中所用的光敏树脂4优选为可以以编号SU-8获自Shell Chemical的八官能(octofunctioal)环氧树脂和选自三芳基锍盐(例如美国专利US 4,058,401中描述的那些)的光引发剂。该树脂能够在紫外辐射作用下光聚合。需要说明，已被证明适于该树脂的溶剂是γ-丁内酯(GBL)。
或者也可以在存在DNQ(叠氮萘醌，DiazoNaphtoQuinone)光引发剂的情况下使用酚醛型的苯酚甲醛基树脂。
可通过任何适当的方式将树脂4沉积在基底1上，例如使用旋涂器，直到获得所需的厚度。一般地，树脂的厚度为150μm至1mm。取决于所需的厚度和使用的沉积技术，在一个或数个轮次中沉积树脂4。
然后在90至95℃将树脂4加热一段时间以除去溶剂，加热的时间取决于沉积的厚度。
如图3所示，下一步骤c)包括借助紫外辐射通过掩模照射树脂层4，该掩模限定所需微结构M以及绝缘区4a和非绝缘区4b的轮廓。该紫外辐射通常为200至1000mJ·cm-2(在约365nm的波长测量)，这取决于层的厚度。如果有要求，退火步骤对于层完成由紫外辐射引发的光聚合可能是必要的。退火步骤优选在90至95℃进行15到30分钟。绝缘(光聚合)区4a变得对大多数溶剂不敏感。然而，溶剂之后可溶解非绝缘区。
如图4所示，下一步骤d)包括使光敏树脂层的非绝缘区4b显影，以在一些地方显示出基底1的导电层3。该操作是利用选自GBL(γ-丁内酯)和PGMEA(丙二醇甲基乙基乙酸酯)的溶剂溶解非绝缘区4b而进行的。从而制得具有金属结构的轮廓的绝缘光敏树脂模4a。
如图5所示，下一步骤e)包括在模中从所述导电层3电沉积第一金属的层5，需要注意的是第一层只延伸到模的部分深度，并且还沿着模的垂直壁延伸。为了实现这一点，已将形成模的树脂层4活化以使其导电，或者已用导电底层将其覆盖。该第一金属的层5的厚度与希望得到的微结构的覆层的厚度相匹配。该层的厚度通常可以为数微米至数打微米。
如图6所示，下一步骤f)包括在被层5覆盖的模中电沉积第二金属(其不同于第一金属)的层6，以形成大致达到光敏树脂4a的顶部表面的块体，该块体由第一金属的层5和第二金属的层6形成。在本文中，“金属”当然包括金属合金。第一和第二金属通常选自由镍、铜、金或银以及合金形式的金-铜、镍-钴、镍-铁镍-磷组成的组。
第二金属的层6的厚度可根据微结构M的所需用途而变化。第二金属的层6的厚度通常在100μm和1mm之间变化。在特别的应用中，例如凸轮或小齿轮，可以例如制造包括层5和第二金属的层6的微结构，其中层5具有良好的摩擦质量，通常由镍-磷制造，所述第二金属是具有力阻的，通常是镍。
对于将被电沉积的各金属或合金，电铸条件，尤其是浴的组成、系统几何、电压以及电流密度，都根据电铸领域中公知的的技术加以选择(参见例如Di Bari G.A.“电铸”电镀手册第4版，L.J.Durney，Van NostrandReinhold Company Inc出版，美国纽约，1984)。
如图7所示，在下一步骤g)中，使电铸的块体与树脂层平齐。该步骤可以通过磨蚀或抛光进行，从而直接提供顶部表面平整的微结构，其表面状态粗糙度可满足钟表工业中对制造一系列运动的表面的要求。
如图8所示，下一步骤h)包括通过分层将树脂层和电沉积的块体与基底分离。分层操作进行之后，从经过分层的结构中移除光敏树脂层，从而释放形成的微结构M。为此，在步骤i)中，通过N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶解光聚合树脂，或者可通过等离子蚀刻移除树脂。
这样释放的微结构可以直接使用，或者按照要求在适当的机械加工后使用。十分清楚，由于树脂模4的几何精度，如图8所示，微结构M包括由第二金属层6形成的芯以及由第一金属层5形成的非常精确的覆层。因此，如图8所示，可以获得外壁、内壁和底面都覆有第一金属层5的微结构。
因此，如上所述，很明显，如果第一金属层5具有良好的摩擦性能，那么这些壁可有利地在前述应用中(例如凸轮或小齿轮)用作接触表面。
Claims (9)
1.制造双金属微结构(M)的方法，其特征在于包括下述步骤：
a)提供基底(1)，该基底具有至少一个导电表面(3)；
b)在基底(1)的导电表面(3)上施用光敏树脂层(4)；
c)通过掩模照射树脂层(4)，该掩模限定所述微结构的轮廓；
d)将光敏树脂层(4)的未被照射的区域(4b)溶解，以在一些地方显示出基底(1)的导电表面(3)，然后产生导电的被照射区域(4a)；
e)从基底(1)的所述导电表面(3)和光敏树脂的所述导电的被照射区域(4a)均匀地电沉积第一金属的层(5)；
f)从所述第一金属的层均匀地电沉积第二金属的层(6)，以形成达到光敏树脂层(4)顶部表面水平的块体；
g)平整树脂(4)和沉积的金属(5，6)，以使树脂和电沉积的块体处于相同的水平；
h)通过分层将树脂层(4)和电沉积的块体与基底(1)分离；
i)从经过分层的结构中移除光敏树脂层(4)，以释放所形成的微结构(M)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第一和第二金属是不同的，从而形成机械性能优化的微结构(M)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第一金属比所述第二金属具有较低的摩擦系数，并且所述第二金属比所述第一金属具有较高水平的力阻。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第一金属是镍-磷合金，所述第二金属是镍。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于基底(1)的所述导电表面(3)是由铬和金层的叠层形成的。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于光敏树脂的所述导电的被照射区域(4a)是通过将所述树脂活化而形成的。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于光敏树脂的所述导电的被照射区域(4a)是通过涂覆导电底层而形成的。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在相同基底上制造数个微机械结构。
9.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于所述金属微结构(M)形成计时器的微机械部件。
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