CN109416511A - Liga制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种形成三维微型部件的方法，包括步骤：(i)使用双光子吸收聚合在光致抗蚀剂材料中形成三维(3D)几何轮廓，其中在形成于光致抗蚀剂中的三维几何部分已被烘烤时，所述三维几何轮廓形成限定微型部件的外表面部分的交联的聚合轮廓；以及(ii)应用UV(紫外)聚合工艺，以使与所述三维几何轮廓相邻的光致抗蚀剂的聚合物材料交联。

Description

LIGA制造方法
技术领域
本发明涉及一种形成微型部件的方法，特别是，本发明涉及利用LIGA形成的微型部件，即利用光刻(Lithographie)、电铸(Galvanoformung)、注塑(Abformung)微型模制工艺。
背景技术
随着机械设备和部件及电子设备和部件的小型化的来临，对于具有高且一致的尺寸精度和公差的微型部件的制造有着很高的需求。
由于利用光刻技术带来的2D(二维)设计的多样性和高制造精度，如已知的，X射线LIGA和UV-LIGA技术可以被认为较普遍地用于制造和生产微型部件。
在本领域中，X射线LIGA提供的有利特性包括：高纵横比(约100∶1)，具有高镜面光滑度的直侧壁的部件特性，以及在从数十微米到几毫米的范围中且具有超高分辨率的结构高度。
通常，X射线LIGA使用对X射线敏感的聚合物光致抗蚀剂(通常为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯))来用于聚合物模制工艺。该工艺所需的这种类型的X射线通常提供来自同步加速器辐射源的高能量X射线的平行光束。但是，这样的X射线源不能广泛获得，常被认为异常昂贵并且制造成本高。
与X射线LIGA工艺相比，UV-LIGA(紫外LIGA)利用较不昂贵的UV光源，该UV光源用于对聚合物光致抗蚀剂(通常为SU-8(基于环氧树脂的负性光致抗蚀剂))进行曝光。
通常认为UV-LIGA比X射线LIGA的对应物便宜得多，并且更容易获得。但是，当利用UV-LIGA时，高纵横比和部件高度的获得通常被限于数百微米。而且，已经发现，通过这种技术形成的部件的侧壁粗糙度在特定应用中随部件高度而不理想地非常显著地增加。
通常，利用任意的LIGA工艺形成的微型部件限于2.5D(两个半维度)。在现有技术中利用不同的方法以获得和提供2.5D的微型部件或多级层部件。
举例来说，Mimotec S.A.利用逐层构造金属部件的方法，例如EP2405300(MimotecS.A.)中公开的。在这样的工艺中，当通过电铸沉积了第一金属层时，顶表面被加工并处理，以便允许在顶部上构造另一层。需要在不同的层之间提供粘结，并且在这样的工艺中，需要专用结构来加强层之间的结合强度，并且在先前的电铸层的顶部构建新的金属层之前，需要进行专门的化学处理工艺。在这样的工艺中，每个不同的层需要与其下面的层精确对准。在根据该方法形成的结构或部件中，随着材料层数的增加，通常存在对准误差的累积效应，这导致最终的电铸部件可能不具有对该部件要求的尺寸精度。而且，在该工艺中的在层之间的粘结工艺中，存在制造的复杂化。
发明目的
本发明的目的在于提供一种工艺，其克服或基本改善了与现有技术有关的缺陷中的至少一些缺陷。
发明内容
在第一方面中，本发明提供一种形成三维3D的微型部件的方法，所述方法包括步骤：(i)使用双光子吸收聚合在光致抗蚀剂材料中形成三维几何轮廓，其中在形成于光致抗蚀剂中的三维几何部分已被烘烤时，三维几何轮廓形成限定微型部件的外表面部分的交联的聚合轮廓，以及(ii)应用UV(紫外)聚合工艺，以使与所述三维几何轮廓相邻的光致抗蚀剂的聚合物材料交联。
在本方面的第一实施例中，所述三维几何轮廓形成封闭的壳体，在所述封闭的壳体中限定模腔，所述模腔限定用于形成微型部件的形状和几何尺寸，并且该方法进一步包括步骤：对光致抗蚀剂进行显影，以在封闭的壳体中提供模腔，其中通过UV(紫外)聚合工艺聚合光致抗蚀剂的步骤使得光致抗蚀剂材料交联，以便形成用于在其中形成微型部件的模具。
本实施例可以进一步包括步骤：通过电铸工艺在模腔中形成微型部件，其中该微型部件由金属材料或金属合金材料形成。
本实施例的另一步骤可以包括移除微型部件周围的光致抗蚀剂，以便暴露该微型部件。
在本方面的另一实施例中，在烘烤光致抗蚀剂的步骤(i)之后，在通过UV(紫外)聚合工艺曝光剩余的光致抗蚀剂使得光致抗蚀剂聚合以使所述光致抗蚀剂形成聚合的微型部件的步骤(ii)之前，该方法进一步包括移除三维几何轮廓外部的光致抗蚀剂的步骤。
在本发明的第二方面中，提供了根据第一方面的方法形成的微型部件。
该微型部件可以是用于机械时钟的部件。替代地，该微型部件可以是用于医疗器械的部件。
在第三方面中，本发明提供了一种形成模具的方法，所述模具用于形成三维微型部件，所述方法包括步骤；(i)使用双光子吸收聚合在光致抗蚀剂材料中形成三维(3D)几何轮廓，其中在形成于光致抗蚀剂中的三维几何部分已被烘烤时，所述三维几何轮廓形成限定微型部件的外表面部分的交联的聚合轮廓；以及(ii)应用UV(紫外)聚合工艺，以使与所述三维几何轮廓相邻的光致抗蚀剂的聚合物材料交联；其中所述三维几何轮廓限定模腔，以用于在所述模腔中形成三维微型部件；以及其中邻近所述三维几何轮廓提供模具的主体。
在第四方面中，本发明提供一种用于形成三维微型部件的模具，其中所述模具根据第三方面的方法形成。
在第五方面中，本发明提供一种形成三维微型部件的方法，该方法包括步骤：(i)使用双光子吸收聚合在光致抗蚀剂材料中形成三维(3D)几何轮廓，其中在形成于光致抗蚀剂中的三维几何部分已被烘烤时，所述三维几何轮廓形成限定微型部件的外表面部分的交联的聚合轮廓；(ii)移除三维几何轮廓外部的光致抗蚀剂；以及(iii)应用UV(紫外)聚合工艺，以使与所述三维几何轮廓相邻的光致抗蚀剂的聚合物材料交联；其中所述三维几何轮廓形成三维微型部件的外表面；以及其中与所述三维几何轮廓相邻的光致抗蚀剂的交联的聚合物材料形成所述三维微型部件的主体。
在第六方面中，本发明提供了一种根据第五方面的方法形成的三维微型部件。
如将理解的是，本发明提供了一种利用双光子吸收聚合以及UV聚合的方法，该方法可以产生三维聚合物微型部件以及用于电铸工艺的三维微型模具。
在双光子吸收聚合工艺中，包含单体和双光子活性光引发剂(2-photon activephotoinitiator)的光致抗蚀剂(例如SU-8)可以用于形成微型部件。将聚焦的激光施加到光致抗蚀剂导致仅在激光的焦点处发生聚合，在焦点处吸收的光的强度是最高的。因此通过激光可以描绘出所需物体的形状，然后可以洗去多余的光致抗蚀剂以留下描绘的实体。
双光子吸收聚合是激光直写技术，利用该技术，可以在无所有层级之间的任何对准问题的情况下写出用于微型部件电铸的三维聚合物模具。
通过当前的技术，最小的特征尺寸可以小至150nm，并且表面粗糙度可以低至数十埃。
本发明通过使用三维几何设计自由度且不存在任何约束地利用这种技术，使得任何形状的部件都可以利用双光子吸收聚合写出。
双光子吸收聚合的强项在于以3D几何结构形成超精细轮廓，而UV聚合相反地是有效率的聚合工艺。本发明的构思是将双光子吸收和UV聚合相结合，从而兼顾二者的优点。
附图说明
现在将参考附图对本发明的示例进行说明，其中：
图1(a)至图1(e)示出根据本发明的方法的示例实施例的示意图，该方法通过将双光子吸收工艺和UV聚合工艺组合且然后通过电铸而形成平衡螺钉，该平衡螺钉用在调节时钟的振荡频率的时钟调节器中；以及
图2(a)至图2(d)示出根据本发明的方法的示例实施例的示意图，该方法通过将双光子吸收和UV聚合组合而形成由聚合物材料形成的紧固件。
具体实施方式
参考图1(a)、1(b)、1(c)和1(d)，示出了根据本发明的方法的示例的示意图，该方法通过组合双光子吸收和UV聚合且然后通过电铸，形成在调节时钟的振荡频率的时钟调节器中使用的平衡螺钉。参考图1(e)，示出参照图1(a)、1(b)、1(c)和1(d)所述的方法形成的部件的截面图，为解释根据本发明的方法的目的，本示例中的部件是比如用在时钟中的平衡螺钉1。
如图1(a)中所示，根据本发明的方法，起始地在基板14上涂覆导电种子层13，该导电种子层13通常是较厚的金属层，通过溅射工艺形成，并且具有通常约100nm的厚度。
涂覆有种子层13的基板14被光致抗蚀剂11、12覆盖，在该示例中，光致抗蚀剂11、12为SU-8胶，其为基于环氧树脂的负性光致抗蚀剂。术语“负性”指的是一种光致抗蚀剂，其中膜的暴露于UV的部分变得交联，而膜的其余部分保持可溶并且可以在显影时被洗掉。
可以采用本领域技术人员已知的标准光刻工艺，其中在光刻工艺期间，未曝光的光致抗蚀剂12用掩模10覆盖，并且其中11是被曝光的光致抗蚀剂的部分。
如图1(b)所示，当曝光的光致抗蚀剂11在工艺中已被硬烘(hard baked)后，则光致抗蚀剂为随后的双光子吸收激光写入步骤提供支撑结构。
来自双光子吸收激光写入设备的激光束被用于曝光部件的轮廓，在这个示例中为平衡螺钉1的形状的轮廓。当图案化的基板14已被烘烤后，沿着平衡螺钉1的轮廓已被双光子激光束曝光的光致抗蚀剂将被交联，从而形成封闭的壳体。
在通过该工艺已经提供了所述交联之后，则在显影剂中显影光致抗蚀剂，这形成具有平衡螺钉1的几何要求的光致抗蚀剂模具15。
参考图1(c)，然后执行UV(紫外)聚合工艺，之后再次烘烤基板14，以便交联被曝光的光致抗蚀剂11。然后，基板14准备被放置在电铸槽中，如下参考图1(d)所描述的。
图1(d)示出了电铸金属16填充如上所述形成和描述的光致抗蚀剂模具15，以便形成电铸的平衡螺钉1，随后从基板中释放平衡螺钉1。
当从基板释放并且移除和剥离光致抗蚀剂后，就完成了如图1(e)中所示的平衡螺钉1的制作。
如将理解和清楚的，为说明的目的，已经参考形成用于制造金属平衡弹簧的根据本发明的模具描述了本发明。
在其他和替代的应用和实施例中，存在这样的情况，其中部件的机械强度不是主要的或必须的必要设计和部件需求，而必要的参数是高的尺寸精度。在这种情况下，例如，可以将例如聚合物材料用作形成最终部件的材料。
通过本发明的另一个实施例的示例，为形成由聚合物材料形成的部件，参考附图2(a)至2(d)，使用形成平衡螺钉2的方法。
如图2(a)至2(d)的示例中所示，在图2(a)中，基板22上涂覆有已软烘(softbaked)的光致抗蚀剂21。
如图2(b)中所示，利用双光子激光束扫描平衡螺钉2的所需的轮廓23。然后，在基板22已被硬烘后，使得轮廓23的区域中的光致抗蚀剂21变得交联，从而由光致抗蚀剂聚合物材料形成封闭的壳体。
参考图2(c)，利用显影剂移除轮廓23外的光致抗蚀剂21，由此，由光致抗蚀剂21形成部分完工的平衡螺钉24。由此，完成了由光致抗蚀剂21形成的部分完工的平衡螺钉24的制作。
在如上参考图2(c)所述的形成光致抗蚀剂21的平衡螺钉24之后，然后通过UV(紫外)聚合工艺利用UV光对光致抗蚀剂21的部分完工的平衡螺钉24进行曝光并且硬烘，从而形成如图2(d)中示出的所需的平衡螺钉2。
相比现有技术所述的工艺，本发明提供了一种用于形成具有增加且高的尺寸精度和公差的微型部件的工艺，并且通过提供与UV聚合相结合的基于双光子吸收聚合的微模制和形成工艺，这种微型部件可以提供为三维(3D)形式。
此外，本发明提供了一种用于形成具有一致且可重复的高尺寸精度的微型部件的工艺，而无需提供多层结构，由此，本发明消除了对准的必要性，并消除了相关的不精确曝光，并且消除了层之间的粘附的必要性，而这是与现有技术相关的缺陷。
再另外，本发明提供由不同材料(例如金属材料或金属合金材料)形成微型部件，以及由聚合物材料形成的微型部件。由此，根据本发明提供和形成的微型部件可被提供用于其中部件的机械强度是设计需求的应用中，例如提供可能暴露于应力和负载(诸如循环负载)的紧固件，诸如在本说明书中为示例目的使用的螺钉。
此外，在其中机械强度不是重要设计参数(其需要金属部件)的其他应用中，本发明允许形成聚合物部件，其也可应用于例如当设计参数规定低质量部件或非磁性部件时的特定应用中。
由此，本发明提供以下特征，从而优于现有技术，且同时解决了与现有技术有关的缺陷：
(i)可重复的高尺寸精度的部件，
(ii)避免对准步骤和分层步骤，
(iii)允许形成全三维(3D)微型部件，因此不限于构造用于实现2.5D(两个半维度)的应用，
(iv)允许形成不限于诸如现有技术中的仅仅数百微米的微型部件，以及
(v)允许制备由金属形成的部件和聚合物部件，从而关于材料应用和部件需求(诸如强度需求、美观需求以及环境需求)提供多样性。
(vi)
如上为说明的目的，已经参考螺钉(诸如用在机械时钟中的平衡螺钉)的形成描述了本发明。但是，这样的示例不应被认为是限制性的，并且如本领域技术人员将容易理解的，在不偏离本发明范围的情况下，利用本发明形成其他的微型部件也被认为是同样适用的。
尽管已经参考用在机械时钟中的微型部件描述了本发明，但在不偏离本发明范围的前提下，其中需要微型部件(诸如其它微型机械装置或组件)的其他商业应用也是同样适用的。如将理解的，微型部件的形成可应用于其他的适用领域，例如生物医学应用、微机械和设备等。
如本领域技术人员将理解和清楚的，存在本方面的多种实施例，并且上述示例是非限制性的，因为在替代实施例中，其他示例同样可用于实施。

Claims (12)

1.一种形成三维微型部件的方法，所述方法包括步骤：
(i)利用双光子吸收聚合在光致抗蚀剂材料中形成三维(3D)几何轮廓，其中在形成于光致抗蚀剂中的三维几何部分已被烘烤时，所述三维几何轮廓形成限定微型部件的外表面部分的交联的聚合轮廓，以及
(ii)应用UV(紫外)聚合工艺，以使与所述三维几何轮廓相邻的光致抗蚀剂的聚合物材料交联。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述三维几何轮廓形成封闭的壳体，在所述封闭的壳体中限定模腔，所述模腔限定用于形成微型部件的形状和几何尺寸，并且所述方法进一步包括步骤：对光致抗蚀剂进行显影，以在所述封闭的壳体中提供模腔，其中通过UV(紫外)聚合方法聚合光致抗蚀剂的步骤使得光致抗蚀剂材料交联以便形成模具，以用于在所述模具中形成所述微型部件。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括步骤：通过电铸工艺在所述模腔中形成微型部件，其中所述微型部件由金属材料或金属合金材料形成。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括步骤：移除所述微型部件周围的光致抗蚀剂，以便暴露所述微型部件。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在烘烤光致抗蚀剂的步骤(i)之后，在通过UV(紫外)聚合工艺曝光剩余的光致抗蚀剂使得光致抗蚀剂聚合而使所述光致抗蚀剂形成聚合的微型部件的步骤(ii)之前，所述方法进一步包括移除所述三维几何轮廓外部的光致抗蚀剂的步骤。
6.一种微型部件，其根据先前权利要求中的任一项所述的方法形成。
7.根据权利要求6所述的微型部件，其中所述微型部件是用于机械时钟的部件。
8.根据权利要求6所述的微型部件，其中所述微型部件是用于医疗器械的部件。
9.一种形成模具的方法，所述模具用于形成三维微型部件，所述方法包括步骤：
(i)使用双光子吸收聚合在光致抗蚀剂材料中形成三维(3D)几何轮廓，其中在形成于光致抗蚀剂中的三维几何部分已被烘烤时，所述三维几何轮廓形成限定微型部件的外表面部分的交联的聚合轮廓；以及
(ii)应用UV(紫外)聚合工艺，以使与所述三维几何轮廓相邻的光致抗蚀剂的聚合物材料交联；
其中，所述三维几何轮廓限定模腔，以用于在所述模腔中形成三维微型部件；以及
其中邻近所述三维几何轮廓提供所述模具的主体。
10.一种用于形成三维微型部件的模具，其中所述模具根据权利要求9所述的方法形成。
11.一种形成三维微型部件的方法，所述方法包括步骤：
(i)使用双光子吸收聚合在光致抗蚀剂材料中形成三维(3D)几何轮廓，其中在形成于光致抗蚀剂中的三维几何部分已被烘烤时，所述三维几何轮廓形成限定微型部件的外表面部分的交联的聚合轮廓；
(ii)移除所述三维几何轮廓外部的光致抗蚀剂；以及
(iii)应用UV(紫外)聚合工艺，以使与所述三维几何轮廓相邻的光致抗蚀剂的聚合物材料交联；
其中所述三维几何轮廓形成三维微型部件的外表面；以及
其中与所述三维几何轮廓相邻的光致抗蚀剂的交联聚合物材料形成所述三维微型部件的主体。
12.一种三维微型部件，其根据权利要求11所述的方法形成。
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