CN102197165A - 异质liga 方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制造金属显微结构的方法，该方法包括以下步骤：a)提供具有导电打底表面(2)的衬底(1、2)；b)-d)通过UV光刻法形成第一树脂模型(3b)，第一树脂模型中的开口露出衬底的导电打底表面(2)；e)通过在第一树脂模型(3b)的开口中电沉积第一金属材料来电铸第一元件(5)；f)除去第一元件(5)周围的第一模型(3b)以便露出衬底的导电打底表面(2)；g)-i)通过UV光刻法形成新的树脂模型(7b)，新树脂模型中的开口露出第一元件(5)及衬底的导电打底表面(2)；j)通过在新树脂模型(7b)的开口中电沉积第二金属材料来电铸第二元件(10)以便形成所述金属显微结构；k)使所述金属显微结构与衬底(1)和所述新模型(7b)分离。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过UV(紫外线)光刻法和电沉积制造金属零件的方法。更准确地说，本发明涉及这种类型用于制造零件的方法，该零件至少包括由第一金属制成的第一元件，该第一元件插入由第二金属制成的第二元件中。
背景技术
通过UV光刻法和电沉积制造零件的最有名的方法是基于LIGA-UV技术的那些方法。最初，LIGA(Lithographie Galvanik Abformung，光刻、电铸和注塑)技术由W.Ehrfled of Karlsruhe Kernforschungszentrum(德国)在1980年代研究开发出来。已证明它对制造高精度金属显微结构很有利。
LIGA技术的原理是：在导电衬底或涂覆有导电涂层的衬底上沉积一层光敏树脂，经由同步加速器穿过与所需显微结构的轮廓一致的掩膜实施X照射；显影，即，通过物理或化学手段除去光敏树脂的未经辐照部分以便限定形成具有显微结构的轮廓的模型，在光敏树脂模型中电沉积一种金属(通常是镍)，然后除去模型以便释放显微结构。
所得到的显微结构的质量无可指责，但对提供昂贵的设备(同步加速器)的需要使得该技术不能与必须有低单位成本的显微结构的成批生产相兼容。
这就是为什么在LIGA方法的基础上开发研究出类似方法的原因，但该类似方法使用紫外线照射(UV)光敏树脂。这种类型的方法例如由A.B.Frazier等人在出版物中公开，标题为“用光敏聚酰亚胺电镀模型制造的金属显微结构(Metal Microstructures Fabricated Using PhotosensitivePolyimide Electroplating Molds)”，见“显微机电系统杂志(Journal ofMicro electro mechanical system)”，Vol.2，N deg.2 June 1003。该文公开了通过在聚酰亚胺基光敏树脂模型中电镀金属来制造金属结构的方法。方法包括以下步骤：
-在衬底上形成用于随后电沉积步骤的牺牲金属层和打底(strike)层，
-涂覆一层光敏聚酰亚胺，
-穿过与所需显微结构的轮廓一致的掩膜UV照射聚酰亚胺层，
-通过溶解聚酰亚胺层的未经照射部分进行显影以得到聚酰亚胺模型，
-在模型的开口部分中将镍电沉积到所述模型的顶部上，
-除去牺牲层并使所得到的金属结构与衬底分离，和
-除去聚酰亚胺模型。
根据现有技术的方法所得到的显微结构是用单一金属制成的金属显微结构，该单一金属制成的显微结构尤其是用于计时制造应用，不一定是最佳。实际上，由于美观、磨擦或更一般地机械原因，制造包括由第一金属制成的至少一个零件的双金属显微结构是有利的，该至少一个零件插入由第二金属制成的零件中。
通常，为了制造这种双金属显微结构，由第一金属制成的插入件(或多个插入件)以传统方法通过镶嵌(setting)、卷边、经螺纹件连接或冲压操作添加到由第二金属制成的零件上。
EP专利No.1916567公开了一种通过光刻法制造零件、添加插入件和电铸的混合方法。该方法要求装配至少两个元件，一个元件用光刻法和电镀生长得到，另一个元件用另外的制造方法得到，方法包括以下步骤：
-穿过掩膜照射涂覆到衬底上的光敏树脂层；
-显影光敏层以便形成聚合的树脂模型；
-将用另外的制造方法得到的添加元件放在聚合树脂模型中；
-从树脂模型的底部电沉积金属层，使得金属层保持全部或一部分添加元件；
-通过将衬底与保持添加元件的金属层分离并除去聚合树脂模件得到零件。
很显然，在上述方法结束时，添加元件已经插入制造的零件中。因此，能省去随后的镶嵌、卷边、经螺纹件连接或冲压等操作。
上面说明的方法有一些缺点。因为插入件通过从别的地方添加的元件形成，所以它必需高度精确放置在树脂模型中。根据上述现有技术文献，添加元件的精确定位是通过聚合树脂模型的特殊构型得到。实际上，根据该文献，树脂层配置成使其一部分能用作添加元件的导向件。显然，该方法大大限制了显微结构制造的形状的选择。
因此，本发明的目的是提供一种用于制造双金属零件的方法，该双金属零件至少包括由第一金属制成的第一元件，该第一元件插入由第二金属制成的第二元件中。该方法在定位插入件时能提供微米级精度，同时在显微结构的形状方面能提供最大可能的选择自由度。
发明内容
因此，本发明涉及一种通过UV光刻法和电沉积制造金属零件的方法，其特征在于它包括以下步骤：
a)提供具有导电表面的衬底；
b)用第一层光敏树脂涂覆导电表面；
c)穿过与所需图形空腔一致的掩膜照射第一层光敏树脂；
d)显影第一层光敏树脂以便在其中形成开口并因此得到第一树脂模型，第一树脂模型中的开口显露衬底的导电表面；
e)通过在第一树脂模型的开口中电沉积第一金属来电铸第一元件；
f)通过除去形成第一模型的光敏树脂露出衬底的导电表面，或者，在第一光敏树脂层上沉积一薄金属层以便形成新的导电表面；
g)将露出的导电表面和第一元件涂覆新的光敏树脂层；
h)穿过与所述图形空腔一致的掩膜照射新光敏树脂层；
i)显影新光敏树脂层以便在其中形成开口并因此得到新树脂模型，新树脂模型中的开口显露第一元件和衬底的导电表面或新导电表面；
j)通过在新树脂模型的开口中电沉积第二金属来电铸第二元件；
k)通过使第二元件与衬底分离并除去形成新模型的光敏树脂来剥离第二元件。
很显然，利用本发明的方法，插入件用与其余部分相同的技术制成。因此，该方法的第一优点是用第一金属制成的插入件(即第一元件)能在具有LIGA技术所特有的全微米级精度的情况下相对于第二元件定位。
附图说明
通过阅读下面仅作为例子给出并参照附图所作的说明会更清楚根据本发明的方法的其它特点和优点，其中：
-图1-12示出本发明的方法的具体实施方案的不同方法步骤。
具体实施方式
根据本发明的方法包括采取具有导电表面的衬底的步骤。在附图中所示的具体实施方案中，衬底1用其上事先通过真空电镀法沉积有导电层2(图1)的硅、玻璃、或陶瓷片形成。导电层2在随后的电沉积期间用作打底层，即阴极。通常打底层2能由涂覆有金或铜层的铬或钛的下层形成。
根据未示出的不同方案，为了便于随后零件与衬底分离，首先在衬底上沉积与其它层粘聚或粘附性程度低的一层。该层称为牺牲层，它能很容易破裂，以便在方法结束时能将多级金属结构与衬底分离。牺牲层能例如通过真空电镀由铝制成。该层的厚度可能约为0.1微米。根据还有另一个不同方案，同一金属化层能实现牺牲层和打底层的功能二者。此外，代替用真空电镀法来形成牺牲层，还可以在第一打底层上通过电沉积形成牺牲层。
或者，衬底能用不锈钢或其它金属板形成。显然，在这些条件下，不必沉积导电层。然而，打底表面一般在使用之前必须弄干净。
下一个步骤(图2)是用第一光敏树脂层3涂覆衬底的导电表面。在本实施例中，用于该第一层的树脂是标准正性光致抗蚀剂如Shipley S1818或TOK C-1000。这种类型的光敏树脂制备能用光刻法构造的不同的层。这些层的厚度通常在2和5微米之间，且在C-1000情况下可以高达约20微米。
或者，人们会选择从Microchem Corporation购买的SU-8。该树脂形成设计用来在UV(紫外线)照射的作用下聚合的负性光致抗蚀剂。SU-8的优点是它形成相当厚的能通过光刻法构造的层。SU-8的缺点是当剥离通过电镀生长的金属元件时更难以去除。因此当人们希望制造厚度小于几微米的插入件时优选地选择正性光敏树脂。不管发生什么情况，很显然，本发明不限于特定类型的光敏树脂。本领域的技术人员知道如何从适合于UV光刻法的所有众所周知的树脂中选择满足他们要求的光敏树脂。
树脂3能用本领域的技术人员众所周知的技术沉积在打底层2上；例如旋转涂覆、柱面涂覆(cylinder application)、或树脂膜层积等。视所用的厚度和技术而定，树脂能一次或多次进行沉积。
根据形成本说明的主题的具体实施方案，在步骤b)之后再将树脂层3加热到在90和95℃之间足够的时间来使溶剂蒸发(预烘/前烘)。然而，本领域的技术人员应该理解，视所用树脂的性质而定，该加热步骤可以不需要。
方法的下一个步骤(图3)是用UV照射穿过限定形成一个或多个待形成金属插入件的轮廓的掩膜4的开口照射树脂层。该UV照射可以例如通过强度峰值在365和410nm处的光刻法掩膜对准机(未示出)实现。照射强度取决于树脂的厚度。照射强度通常介于在365nm波长处测得的200和1000mJ/cm2之间。后烘步骤可能是必要的，以便完成由UV照射导致的聚合作用。在像本实施例中所用的正性光致光蚀剂的情况下，后烘步骤优选地在90和95℃之间实施几分钟。曝光区3a随后能用合适的显影液溶解。然而，未曝光的(聚合的)区域3b变得对绝大多数显影液不敏感。
方法的下一个步骤(图4)是将第一光敏树脂层3显影。在本实施例中，所用的光致抗蚀剂是正性光致抗蚀剂。在这些条件下，显影光致抗蚀剂是指蚀刻它，以便溶解曝光区3a并显露衬底1的导电层2。然而，很显然，在负性致抗蚀剂的情况下，溶解的是未曝光区3b。本领域的技术人员知道如何根据光敏抗蚀剂制造厂家说明书选择合适的显影液用于光致抗蚀剂显影阶段。根据有利的不同方案，能通过瞬时等离子体曝光完善显影步骤，以便合适地清洁树脂模型并在用于下一步骤的制备时使其表面活化。使表面活化改进了电沉积的打底和规则性。
方法的下一个步骤(图5)是通过在第一树脂模型3b的开口中电沉积第一金属来电铸第一元件5(或者，换句话说，一个或多个插入件)。在本实施例中，插入件用金制成。然而，本领域的技术人员应该理解，也能使用许多其它金属。对于具有装饰功能的插入件，人们能列举尤其是铂、钯、银和铑。本领域的技术人员知道如何根据待沉积的金属或合金确定用于电沉积的条件，尤其是浴液成分，系统几何形状、电流电压和密度。例如，能参见在L.J.Durney指导下由Di Bari G.A.主编的“电铸”电镀工程手册(“electroforming”Electroplating Engineering Handbook)，第四版，由美国纽约的Van Nostrand Reinhold Company Inc.1984年出版。
根据本发明的方法的第一不同方案，方法的下一个步骤(图6)是通过除去形成第一模型3b的聚合树脂剥离第一元件5。本领域的技术人员知道如何选择用于除去树脂模型3b的合适浴液而不浸蚀形成电铸元件5的金属或打底层2的金属。在某些情况下，为了完全除去树脂，可能必需通过使用等离子体蚀刻完成或代替在溶液中使用试剂。尤其是当模型用SU-8制成时一般是这种情况。
根据第二不同方案(附图中未示出)，代替剥离第一元件5，在由刚形成的第一模型3b和元件5的顶部所形成的表面上真空电镀称为粘着层的金属层。粘着层的功能是形成新的导电打底表面，用于随后第二元件的电铸。
方法的下一个步骤(图7)是用新的光敏树脂层7涂覆导电表面2和第一元件5(或者，涂覆新导电表面)。所用的树脂优选地是购自MicroChem的八功能环氧树脂(已经提到的)，标号为SU-8。该树脂还具有从三芳基铳盐类(例如美国专利No.4058401所公开的)中选择的光引发剂。该树脂形成设计用来在UV照射的作用下聚合的负性光致抗蚀剂。然而，本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的情况下，能使用任何其它的(正性或负性)光致抗蚀剂代替SU-8。
树脂7能用本领域的技术人员众所周知的任何技术沉积在打底层2上；例如旋转涂覆、柱面涂覆、或者，如果是薄膜树脂的话，层积等。光敏树脂层3的厚度通常包括在150和600微米之间。视厚度和所用的技术而定，树脂能沉积一次或多次。
方法的下一个步骤(图8)是用UV照射穿过与所需图形空腔一致的掩膜8照射新的光敏树脂层。在负性光致抗蚀剂例如SU-8的情况下，未曝光区7a能随后用合适的显影液溶解。然而，曝光的(聚合的)区7b变得对绝大多数显影液不敏感。后烘步骤可能是必要的，以便完成由UV照射导致的聚合作用。在负性光致抗蚀剂例如SU-8的情况下，后烘步骤优选在90和95℃之间实施达到从几秒到几个小时的一段时间。
方法的下一个步骤(图9)是显影新的光敏树脂层，即溶解其未曝光区，以便形成新的树脂模型7b。新模型的开口显露出第一元件5和衬底的导电表面2。如步骤d)中那样，通过瞬时等离子体曝光能改进显影步骤，以便合适地清洁树脂模型并在下一个步骤的制备时使树脂模型的表面活化。
方法的下一个步骤(图10)是通过在新树脂模型7b的一个或多个开口中电沉积第二元件10来电铸第二原件10。通过小心地选择方法中所用的两种金属，本领域的技术人员可以使双金属零件具有所需的美观或机械性能。在本申请的上下文中，“金属”当然包括金属合金。通常，第二金属选自镍、铜、金、银、镍-铁和镍磷的组中。
本领域的技术人员应该理解，本发明不仅限于装饰应用。插入用第二金属制成的第二元件中的用第一金属制成的第一元件的功能也可以是机械或磨擦功能。作为例子，能制造具有插入件的金属表针，该插入件用位于表针后面的非常致密的材料制成。该插入件用作表针度盘的配重。根据具体的实施例，镍指针(密度8.9)能例如具有大的金插入件(密度19.3)作为配重。应该说明，待用作配重的插入件优选地很厚(大于约100微米)，以使它的重量足够具有所需的效果。
一旦第二元件10被电铸，则可能必需通过磨光和抛光将第二元件的顶表面调平。视衬底的坚固度而定，该调平操作可以在电沉积之后双金属零件与衬底分离之前立即进行。
方法的下一个步骤(图11)是通过使第二元件与衬底分离并除去形成新模型的光敏树脂来剥离第二元件。根据有利的不同方案，首先是从衬底拆卸由树脂模型和上述步骤期间电铸的双金属零件所形成的组件。然而，本领域的技术人员应该理解，根据可供选择的不同方案，在使双金属零件与衬底分离之前，首先除去形成模型的聚合树脂也是可行的。
当衬底由硅片形成时，能通过在氢氧化钾(KOH)或TMAH(氢氧化四甲铵)浴液中将该硅片溶解而除去硅片。如果衬底由玻璃或陶瓷片形成，则上述KOH或TMAH不能溶解该玻璃或陶瓷片。因此分离衬底必需在牺牲层处发生。视在方法开始时所形成的牺牲层的性质而定，衬底可以例如通过溶解牺牲层(例如，如果该牺牲层用铝制成，则用KOH)或者相反不用任何化学试剂简单地通过使牺牲层分层而与双金属层分离。视所用的材料而定，也能省去牺牲层。尤其是，当衬底是实心金属板时，情况正是这样。这种板在理论上可以简单地通过分层而与双金属零件和树脂拆开。
一旦双金属零件和树脂模型与衬底拆开，则聚合树脂模型也必需除去以便释放金属零件。
在形成本申请说明书的主题的实施例中，方法还包括最后的步骤(图12)，该最后的步骤是通过磨光和抛光操作调平双金属零件的顶部部分。
另外，很显然，在不脱离如所附权利要求书所述本发明的范围的情况下，本领域的技术人员显然可以对形成本说明书的主题的实施方案进行许多不同的修改和/或改进。显然，在同一衬底上可以同时制成多个相同或不同的双金属零件。
Claims (10)
1.制造金属显微结构的方法，该金属显微结构至少包括用第一金属材料制成的第一元件(5)，该第一元件插入由第二金属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骤：
a)提供具有导电打底表面(2)的衬底(1、2)；
b)-d)通过UV光刻法形成第一树脂模型(3b)，该第一树脂模型中的开口显露出衬底的导电打底表面(2)；
e)通过在第一树脂模型(3b)的开口中电沉积第一金属材料来电铸第一元件(5)；
f)除去第一元件(5)周围的第一模型(3b)以便露出衬底的导电打底表面(2)；
g)-i)通过UV光刻法形成新的树脂模型，在新树脂模型(7b)中的开口显露出第一元件(5)和衬底的导电打底表面(2)；
j)通过在新树脂模型(7b)的开口中电沉积第二金属材料来电铸第二元件(10)，以便形成所述金属显微结构；
k)使所述金属显微结构与衬底(1)和所述新模型(7b)分离。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤b)-d)和g)-i)分别包括用光敏树脂层(3、7)涂覆衬底的表面、穿过与所需图形空腔一致的掩膜(4、8)照射光敏树脂层(3、7)及显影光敏树脂层(3、7)以便在光敏树脂层中制成所述开口。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，它包括在步骤e)和/或步骤j)之前，用于清洗和活化衬底(1)上存在的树脂(3、7)的表面的等离子体曝光步骤。
4.根据上述权利要求中任一项所述的制造方法，其特征在于，它包括在步骤j)之后调平金属显微结构的步骤n)。
5.根据权利要求1、2或3所述的制造方法，其特征在于，它包括在步骤k)之后调平金属显微结构的步骤n)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的制造方法，其特征在于，衬底(1)还包括促进步骤k)的牺牲层。
7.根据上述权利要求中任一项所述的制造方法，其特征在于，衬底(1)由硅、玻璃或陶瓷材料形成。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，导电打底表面(2)由铬和金层堆叠形成。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的制造方法，其特征在于，衬底(1)由不锈钢或形成所述导电打底表面的金属形成。
10.根据上述权利要求中任一项所述的制造方法，其特征在于，在同一衬底(1)上同时制成多个显微结构。
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