CN112513735A - 制造钟表组件的方法和通过这种方法获得的组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制造金属钟表组件的方法,其特征在于其包含借助UV‑LIGA型方法形成多层次光刻胶模具的步骤和从至少两个导电层电沉积至少一种金属的层以形成基本达到光刻胶顶表面的块体的步骤。
Description
发明领域
本发明涉及使用LIGA技术制造多层次(multi-level)金属结构的方法。本发明还涉及通过这种方法获得的此类金属结构,特别是钟表组件。
发明背景
符合上述定义的方法是已知的。特别地,A.B.Frazier等人的在the Journal ofMicroelectromechanical systems(Vol.2,N deg.2,1993年6月)中发表、题为"MetallicMicrostuctures Fabricated Using Photosensitive Polyimide Electroplatingmolds"的文章描述了在通过光刻胶层的光刻法制成的聚酰亚胺模具中通过电生长(galvanic growth)制造多层次金属结构的方法。这包含下列步骤:
-在基底上制造用于后续电生长步骤的牺牲金属层和打底层(priming layer),
-涂铺光敏聚酰亚胺层,
-通过与要获得的结构的一个层次的轮廓匹配的掩模,用紫外线辐射照射聚酰亚胺层,
-通过溶解未照射部分而将聚酰亚胺层显影(develop)以获得聚酰亚胺模具,
-通过电生长用镍填充模具至模具的高度,并获得基本平坦的顶表面,
-通过真空镀层在整个顶表面上沉积薄铬层,
-在铬层上沉积新的光刻胶层,
-通过与要获得的结构的下一层次的轮廓对应的新掩模照射光刻胶层,
-将聚酰亚胺层显影以获得新模具,
-通过电生长用镍填充新模具至模具的高度,
-将多层次结构和聚酰亚胺模具与牺牲层和基底分离,
-将多层次结构与聚酰亚胺模具分离。
要理解的是,上述方法原则上可以以迭代方式实施以获得具有多于两个层次的金属结构。这种方法的一个缺点是在各个电沉积(galvanic deposition)步骤的过程中需要获得基本平坦的顶表面。
国际专利文献WO2010/020515A1描述了通过在将部件的金属电沉积在模具中的步骤前制造与要获得的最终部件匹配的完整光刻胶模具(photoresist mould)来制造多层次部件。使用这种方法只能制造水平投影位于彼此内的多层次部件。这种方法也具有某些缺点。特别地,电生长在多处开始,并且生长前沿接合并造成不想要的夹杂物。
欧洲专利文献EP2405301A1进一步公开了包含至少两个层次的光刻胶模具,在基底中形成的层次仅包括平滑的垂直侧面。这种方法的缺点是需要明显过剩生长以填充第二层次,这也导致在模具边角中的不想要的夹杂物。
发明概述
本发明的目的在于通过提供一种使用LIGA技术制造多层次金属钟表组件的方法克服上述缺点及其它缺点,其中对每个层次都将导电层与光刻胶层相结合以能够在第二个层次具有中等至高的长高比的多层次组件的情况下实现可靠的电生长。
本发明的另一目的是提供防止侧面在所述一个或多个导电层的沉积过程中被金属化的方法。
为此,本发明涉及一种制造钟表组件的方法,其包含下列步骤:
a)提供基底、在其上沉积第一导电层和施加第一光刻胶层;
b)通过界定所述组件的第一层次的掩模照射第一光刻胶层,并溶解光刻胶层的未照射区以在适当位置暴露出第一导电层;
c)在第一光刻胶层的照射区上局部沉积第二导电层;
d)施加第二光刻胶层,以覆盖在步骤c)中制成的结构;
e)通过界定所述组件的第二层次的掩模照射第二光刻胶层,并溶解第二光刻胶层的未照射区以形成包含第一和第二层次的模具并在适当位置暴露出第一和第二导电层;
f)在模具中从第一层和第二层通过电成型(electroforming)沉积金属层以形成所述组件,所述层基本达到第二光刻胶层的顶表面;
g)使用机械方法机加工所述金属层至预定厚度;
h)以晶片(wafer)形式和通过机加工,在所述组件的顶表面上制造附加形状(倒角(chamfer)、孔口平面(spot face)等);
i)然后除去基底、导电层和光刻胶以释放所述组件。
这种方法因此能够制造多层次部件。
根据本发明的其它有利的备选实施方案:
-透过镂空掩模(stencil mask)沉积第二导电层;
-如下实现第二导电层:全面沉积在所有暴露表面(包括侧面)上,然后除了在其受到通过压印(stamping)沉积的抗蚀剂保护的第一光刻胶层的顶表面外,将其完全除去;
-通过印刷墨水或导电树脂沉积第二导电层;
-所述第一层和所述第二导电层为Au、Ti、Pt、Ag、Cr或Pd类型或至少两种这些材料的叠层;
-所述基底由硅制成;
-第一导电层具有在50nm至500nm的范围内的厚度;
-第二导电层具有在50nm至500nm的范围内的厚度;
-在步骤a)之后和在步骤d)之后,借助机加工操作在光刻胶上进行厚度调节操作,并热处理已由此经过厚度调节的光刻胶。
最后,本发明涉及通过根据本发明的方法获得的钟表组件,例如擒纵叉(pallet-lever)或擒纵轮(escape wheel)。
因此要理解的是,本发明的方法可特别有利地用于钟表组件的制造。
附图简述
在阅读根据本发明的方法的一个示例性实施方案的以下详述时,将更好地理解本发明的其它特征和优点,这一实施例仅为举例说明的目的提供并且无意限制本发明的范围,其参考附图给出,其中:
-图1至11显示用于制造钟表组件的本发明的一个实施方案的方法中的步骤。
优选实施方案的详述
根据本发明的方法的步骤a)中所用的基底1例如由硅基底形成。在该方法的第一步骤a)的过程中,例如通过物理气相沉积法(PVD)沉积第一导电层2,即能够引发金属电沉积的层。通常,第一导电层2为Au、Ti、Pt、Ag、Cr或Pd类型(图1),或至少两种这些材料的叠层,并具有在50nm至500nm的范围内的厚度。例如,第一导电层2可由被金或铜层覆盖的铬或钛的子层形成。
这种方法中所用的光刻胶3优选是可以SU-8为名获自Microchem的负型八官能环氧基光刻胶,其被设计为在紫外线辐射的作用下聚合。
根据本发明的一个具体实施方案,该光刻胶为干膜形式,因此该光刻胶通过层压施加在基底1上。
或者,光刻胶可以是被设计为在紫外线辐射的作用下分解的正性光刻胶。要理解的是,本发明不限于光刻胶的几种具体类型。本领域技术人员能够从适于紫外光刻法的所有已知光刻胶中选择适合其需要的光刻胶。
通过任何适当的手段、通过旋涂、通过涂布机或通过喷涂,在基底1上沉积第一光刻胶层3至所需厚度。通常,光刻胶厚度在10μm至1000μm的范围内,优选在30μm至300μm的范围内。根据所需厚度和所用沉积技术,在一个或多个步骤中沉积第一光刻胶层3。
第一光刻胶层3然后被加热通常到90至120℃之间一段时间,该时间取决于沉积的厚度,以除去溶剂(前烘烤步骤)。这种加热使光刻胶干燥和硬化。
根据该方法的任选步骤,第一光刻胶层3经过厚度调节步骤,其中机加工光刻胶。为了除去所有机加工痕迹和获得完美的平面,重新加热光刻胶以“张紧(tension)”其表面。
图2中所示的下一步骤b)包括通过掩模4借助紫外线辐射照射第一光刻胶层3,掩模4界定要形成的组件的第一层次和因此已光致聚合区3a和未光致聚合区3b。
第一光刻胶层3可能需要退火步骤(后烘烤步骤)以完成由紫外线辐射引发的光致聚合。这种退火步骤优选在90℃至95℃之间进行。已光致聚合区3a变得对大多数溶剂不敏感。但是,未光致聚合区可随后被溶剂溶解。
然后将第一光刻胶层3的未光致聚合区3b溶解以在适当位置暴露出基底1的第一导电层2。通过借助适当的溶剂,如PGMEA(丙二醇甲醚乙酸酯)溶解未光致聚合区3b来进行这一操作。由此制成界定该组件的第一层次的已光致聚合的光刻胶模具3a。
图4中所示的下一步骤c)包括在前一步骤的过程中已光致聚合的区域3a上沉积第二导电层5。这种第二导电层5可具有与第一导电层2相同的性质,即为Au、Ti、Pt、Ag、Cr或Pd类型或至少两种这些材料的叠层,并具有在50nm至500nm的范围内的厚度。
根据本发明的一个优选实施方案,使用借助光学校准装置定位的镂空掩模。这样的设备用于确保掩模与基底上的已光致聚合区3a的几何构型的良好对齐并因此确保在第一导电层2的顶表面上的单一沉积(single deposition),同时由于掩模保持尽可能靠近基底1而防止在已光致聚合的光刻胶3a的侧面上的沉积。
根据本发明的一个备选实施方案,如下完成第二导电层:全面沉积在所有暴露表面(包括侧面)上,然后除了在其受到通过压印沉积的抗蚀剂的保护的第一光刻胶层的顶表面外,将其完全除去。
本领域技术人员也可考虑实施3D打印法以沉积第二导电层5。
这样的解决方案能够选择性地和更精确地沉积第二导电层5,因此不沉积在已光致聚合的光刻胶3a的侧面上。
图5中所示的下一步骤d)包括沉积第二光刻胶层6,以覆盖在前一步骤中制成的结构。在这一步骤的过程中使用相同的光刻胶,并且厚度大于在步骤a)的过程中沉积的厚度。通常,厚度随要获得的组件的几何构型而变。
根据该方法的任选步骤,第二光刻胶层6经过厚度调节步骤,其中机加工光刻胶。为了除去所有机加工痕迹和获得完美的平面,重新加热光刻胶以“张紧”其表面。
图6中所示的下一步骤e)包括通过界定该组件的第二层次的掩模4”照射第二光刻胶层6,并溶解第二光刻胶层6的未照射区6b。在这一步骤结束时(图7),获得包含第一和第二层次的模具,在适当位置暴露出第一导电层2和第二导电层5。
图8中所示的下一步骤f)包括通过电成型或电沉积,在模具中从第一导电层2和第二导电层5沉积金属层7直至形成块体(block),其优选达到小于模具高度的高度,以在后续机加工过程中获得改进的机械强度。无需说,术语“金属”在本文中包括金属合金。通常,该金属选自镍、铜、金或银,和作为合金,金-铜、镍-钴、镍-铁、镍-磷或甚至镍-钨。一般而言,该多层金属结构完全由相同合金或金属制成。但是,也可在电沉积步骤的过程中改变金属或合金,以获得包括至少两个不同性质的层的金属结构。
根据电成型领域中众所周知的技术为要电沉积的各金属或合金选择电成型条件,特别是浴组成、该系统的几何配置以及电压和电流密度。
图9中所示的下一步骤g)包括通过机械方法机加工金属层7至由要制造的组件的厚度预先确定的厚度。
图10中所示的下一步骤h)包括进行机加工操作,例如在组件的可见面的边缘上倒角,或甚至在组件中开孔(tapping)或刮平(spot face)。当然,该操作取决于要获得的最终组件的几何构型。
步骤i)包括通过用一系列湿法或干法蚀刻步骤除去基底、导电层或光刻胶层而释放组件,这些操作是本领域技术人员熟悉的。
例如,借助湿法蚀刻除去第一导电层2和基底1,这能够从基底1无损地释放组件。以众所周知的方式,可用基于氢氧化钾的溶液(KOH)蚀刻硅基底。
在这种第一工序结束时,获得固定在第一和第二光刻胶层中的组件,第二导电层5也仍保持在原位。
第二工序包括通过由中间金属层的湿法蚀刻分开的氧等离子体蚀刻除去第一光刻胶层3和第二光刻胶层6。
在这一步骤结束时,可清洁所得组件,任选在机床(machine tool)上再加工以进行机加工操作或外观修整(aesthetic finalisation)操作。在这一阶段后,部件可直接使用或可经过各种装饰和/或功能处理,通常是物理或化学气相沉积。
根据任选步骤,在步骤a)和步骤d)之后,通过机加工各光刻胶层3、6进行厚度调节操作。有利地,这种操作能在基底1(晶片)的尺度上精确地控制部件的几何构型。一旦在光刻胶上进行了厚度调节,进行热处理以除去机加工操作的任何痕迹。
本发明的方法可特别有利地用于制造钟表组件,如游丝、擒纵叉和轮等。由于这种方法,可获得具有非常可靠的几何构型的稳固组件。
Claims (10)
1.制造钟表组件的方法,其包含下列步骤:
a)提供基底(1)、在其上沉积第一导电层(2)和施加第一光刻胶层(3);
b)通过界定所述组件的第一层次的掩模(4)照射第一光刻胶层(3),并溶解光刻胶层(3)的未照射区(3b)以在适当位置暴露出第一导电层(2);
c)在第一光刻胶层(3)的照射区(3a)上局部沉积第二导电层(5);
d)施加第二光刻胶层(6),以覆盖在步骤c)中制成的结构;
e)通过界定所述组件的第二层次的掩模(4”)照射第二光刻胶层(6),并溶解第二光刻胶层(6)的未照射区(6b)以形成包含第一和第二层次的模具并在适当位置暴露出第一导电层(2)和第二导电层(5);
f)在模具中从第一层(2)和第二层(5)通过电成型沉积金属层(7)以形成所述组件,所述层(7)基本达到第二光刻胶层(6)的顶表面;
g)使用机械方法机加工所述金属层(7)至预定厚度;
h)以晶片形式和通过机加工,在所述组件的顶表面上制造附加形状(倒角、孔口平面等);
i)然后除去基底、导电层和光刻胶以释放所述组件。
2.根据权利要求1的方法,其特征在于透过镂空掩模(4')沉积第二导电层(5)。
3.根据权利要求1的方法,其特征在于在步骤c)的过程中,如下实现第二导电层(5):全面沉积在所有暴露表面(包括侧面)上,然后除了在其受到通过压印沉积的抗蚀剂的保护的第一光刻胶层的顶表面外,将其完全除去。
4.根据权利要求1的方法,其特征在于在步骤c)的过程中,通过印刷墨水或导电树脂沉积第二导电层(5)。
5.根据前述权利要求之一的方法,其特征在于所述第一层(2)和所述第二导电层(5)为Au、Ti、Pt、Ag、Cr或Pd类型。
6.根据前述权利要求之一的方法,其特征在于基底(1)由硅制成。
7.根据前述权利要求之一的方法,其特征在于第一导电层(2)具有在50nm至500nm的范围内的厚度。
8.根据前述权利要求之一的方法,其特征在于第二导电层(5)具有在50nm至500nm的范围内的厚度。
9.根据前述权利要求之一的方法,其特征在于:
-在步骤a)之后和在步骤d)之后,借助机加工操作在光刻胶上进行厚度调节操作;
-热处理已经过厚度调节的光刻胶。
10.通过根据权利要求1至8之一的方法获得的钟表组件。
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