DE19522287C2 - Herstellungsverfahren für Planar-Mikromotoren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Her­ stellung eines Planar-Mikromotors mit einem von einem elek­ trisch isolierenden Substrat unterstützten Stator, der in einer Ebene angeordnete Mikrospulen für die Aufnahme elek­ trischer Ströme aufweist, um selektiv elektromagnetische Felder zu erzeugen.

Mikrofertigungstechniken sind für die Herstellung von mikro­ elektronischen Schaltungen bekannt. In letzter Zeit wurden solche Mikrofertigungstechniken bei der Herstellung drei­ dimensionaler mechanischer Mikrobauteile, wie z. B. auf den Gebieten der Mikrooptik, Mechanik und Medizintechnik u. dgl. eingesetzt. Unter Einsatz derartiger Techniken können Mi­ krostrukturen gefertigt werden, die eine Vielzahl von Mate­ rialien aufweisen, um Leitfähigkeits- oder andere funktio­ nelle Anforderungen zu erfüllen. Es wurden Einsatz­ möglichkeiten für Miniatur-Motoren im Automobilbereich ge­ funden, die verbesserte Einbaumöglichkeiten bieten und zu Kostenreduzierungen führen.

Technologien zur Mikrofertigung werden als MEMS-Technologien (microelectromechanical systems) bezeichnet. Zu den MEMS-Tech­ nologien gehören solche, die die Dünnschichtabscheidung und Strukturierungsverfahren der Siliziumelektronikindustrie nutzen. Miniaturmotoren und elektrisch betriebene Aktoren wurden unter Einsatz von MEMS hergestellt, und es können Ko­ steneinsparungen durch die Chargenverarbeitung von Silizium- oder anderen Wafern erzielt werden.

Eine als LIGA-Technologie (ein deutsches Akronym aus Worten, die sich auf Lithographie, Galvanisieren und Spritzgießen beziehen) wendet MEMS auf Konstruktionen an, die auf Kunst­ stoffen, Metallen, Legierungen und Keramiken basieren. LIGA kann auch bei einer Chargenfertigung eingesetzt werden.

Andere MEMS-Technologien, die in der vorliegenden Erfindung einsetzbar sind, umfassen solche, welche als MPP-MEMS ("micropatterned polymer for MEMS") bezeichnet werden. An­ stelle der Verwendung eines PMMA-Fotolacks und Synchrotron-Be­ lichtungen wie bei LIGA-Technologien, setzt das MPP-MEMS-Ver­ fahren fotoempfindliche Polyimide als Fotolack ein und setzt diese ultraviolettem Licht aus. Dann wird eine Elek­ troformung (Galvanoformung) eingesetzt, um Teile und Merkma­ le in dem strukturiertem Polyimid auszuformen. Die minimale Merkmalgröße ist typischerweise größer als bei dem LIGA-Ver­ fahren, und das Aspektverhältnis ist nicht so groß.

Die Bedeutung der Mikrofertigung nimmt mit den allgemeinen Miniaturisierungstrends und einem wachsenden Bedarf nach ei­ ner Integration mechanischer, elektronischer und optischer Komponenten zu Mikrosystemen zu.

Aus der CH 6 68 160 G A3 ist ein Verfahren der eingangs ge­ nannten Art bekannt, bei dem ein Planar-Mikromotor mit einem von einem elektrisch isolierenden Substrat unterstützten Stator und ein über dem Stator ausgerichteter, eine Achse aufweisender, planarer Rotorkörper erzeugt wird. Der Rotor ist innerhalb eines fest mit dem Substrat verbundenen Gehäu­ ses drehbar eingeschlossen und weist permanentmagnetische Pole auf. Der Stator weist eine oder mehrere planare Spulen auf, die von auf dem Substrat befindlichen Leiterbahnen mit elektrischem Strom versorgt werden, wodurch eine Drehung des Rotors erzielt wird. Das bekannte Verfahren erfordert eine separate Fertigung von Rotor- und Stator- bzw. Rotorkammer­ komponenten, die nachfolgend in einem mechanischen Prozeß zusammengesetzt werden müssen, was insbesondere im Hinblick auf die geringen Abmessungen der Mikromotoren kosten- und arbeitsaufwendig ist.

Aus der EP 0 444 539 A1 ist eine Anregungsspulenanordnung für Mikromotoren sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bekannt, bei der bzw. bei dem eine Stapelung mehrerer Schichten auf einem isolierenden Substrat vorgesehen ist, wodurch innerhalb einer monolithischen Struktur mehrere in verschiedenen Ebenen liegende Spulen mit den zugehörigen Versorgungsleitungen ausgebildet werden können.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Her­ stellung von Planar-Mikromotoren in sich selbst zusammenbau­ ender Form unter Einsatz bekannter Mikrofertigungstechniken, wie den vorstehend erwähnten - zusammen mit bestimmten neuen Techniken - geschaffen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die im Kennzeich­ nungsteil des Patentanspruches 1 genannten Verfahrensschrit­ te gekennzeichnet. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Her­ stellung eines Planar-Mikromotors vorgesehen, der einen von einem Substrat unterstützten Stator und in einer ersten Ebe­ ne regelmäßig angeordnete EMK-Einrichtungen zur Aufnahme elektrischer Ströme aufweist, um selektiv elektromagnetische Felder zu erzeugen. Die EMK-Einrichtung umfaßt mehrere Mi­ krospulen, vorzugsweise bifilare Mikrospulen, die in einer Ebene um einen Mittelpunkt herum kreisförmig in Abständen verteilt angeordnet sind. Ein Rotor weist einen planaren Ro­ torkörper auf, der über den EMK-Einrichtungen in einer zwei­ ten, parallelen Ebene ausgerichtet ist. Der Rotorkörper ist in einer Rotorkammer eingeschlossen, die gemeinsam von dem Stator und einem Gehäuse gebildet wird, welches einteilig mit dem Substrat ausgebildet ist. Der Rotorkörper kann sich in der Rotorkammer als Reaktion auf elektromagnetische Fel­ der drehen, die von den Mikrospulen des Stators über dem zwischen dem Stator und dem Rotorkörper eingeschlossenen planaren Spalt erzeugt werden. Der Rotorkörper weist im all­ gemeinen ferner eine Rotorwelle auf, die sich aus dem Rotor­ körper von dem Stator weggerichtet erstreckt und eine Längs­ rotationsachse aufweist, welche die Ebene der Mikrospulen durch den vorgenannten Mittelpunkt hindurch kreuzt. Der Ro­ torkörper weist mehrere magnetische Pole oder Bereiche auf, die in dem Rotorkörper an auf dem Umfang beabstandeten Stel­ len eingebettet sind, wobei jeder typischerweise einen Kör­ per aus magnetischen Material aufweist. Es sind Erregungs­ einrichtungen vorgesehen, um selektiv mehrphasige elektri­ sche Ströme aus einer geeigneten Erregerquelle durch selek­ tierte Untergruppen der Mikrospulen zu führen. Derartige Er­ regungseinrichtungen umfassen im allgemeinen elektrisch lei­ tende Zuleitungen von Versorgungsbussen zu den Mikrospulen.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt das Verfahren zur Herstellung sich selbst zusammenbauender Mi­ kromotoren die Schritte der Mikrofertigung des Stators, Ro­ tors und des Gehäuses auf dem Substrat mit einer Grenz­ schicht aus Freigabematerial (release material), das den Ro­ torkörper innerhalb der Rotorkammer einkapselt. Wenn dann das Freigabematerial entfernt wird, wird der Rotorkörper für die Drehung innerhalb der Rotorkammer freigegeben. Somit wird in besonders vorteilhafter Weise der Planar-Mikromotor mit den vorstehend beschriebenen wesentlichen Komponenten gefertigt, ohne daß die Notwendigkeit besteht, solche Kompo­ nenten getrennt und gefolgt von deren mechanischem Zusammen­ bau zu fertigen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden mehrere Schichten eines fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials bei dem Fertigungsverfahren der Erfindung eingesetzt. Einige Schichten des Strukturierungsmaterials werden in ihrer Ge­ samtheit wieder entfernt. Teilabschnitte zumindest einiger Schichten verbleiben jedoch in dem Mikromotor, um zumindest teilweise das Gehäuse und/oder einen Teil des Rotorkörpers zu bilden. Die Anwendung dieser Technik, wie sie nachstehend weiter beschrieben wird, ergibt signifikante Verfahrensvor­ teile, einschließlich der Reduzierung der Fertigungskomple­ xität, eine hervorragende Verfahrens- und Dimensionssteue­ rung u. dgl.

Die vorgenannten Erregungseinrichtungen des Planar-Mikro­ motors können optional Schaltungseinrichtungen zum Steuern der Dauer und Ablauf folge der Mikrospulenaktivierung aufwei­ sen, um wiederum die Richtung und den Grad der Drehung des Rotors zu steuern. Unter diesem Gesichtspunkt ist das Ferti­ gungsverfahren der Erfindung insbesondere gut für die Her­ stellung von Mikro-Schrittmotoren geeignet, wie weiter unten erläutert werden wird. Ein Anzeigemittel - beispielsweise eine auf einer Rotorwelle angebrachte sichtbare Zeigerfahne oder Markierung - kann dazu verwendet werden, einen Meßwert, Systemzustand od. dgl. anzuzeigen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 bis 35 schematische Querschnittsansichten aufeinan­ derfolgender Stufen der Herstellung eines Planar- Mikro-Schrittmotors gemäß einer bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung;

Fig. 36 eine schematische Draufsicht auf die Statorkompo­ nenten des Mikromotors der Fig. 1 bis 35, welche die bifilaren Mikrospulen zeigt, die jeweils mit einem gemeinsamen Massebus und mit drei sich ab­ wechselnden Versorgungsbussen verbunden sind;

Fig. 37 eine perspektivische Ansicht (teilweise in Schnitt­ darstellung) des Rotors des in den Fig. 1 bis 35 dargestellten Mikromotors, und

Fig. 38 eine schematische Draufsicht, welche die Phasen­ beziehung der drei Untergruppen von bifilaren Mi­ krospulen zu den magnetischen Rotorelementen in dem in den Fig. 1 bis 35 dargestellten Dreiphasen- Mikro-Schrittmotor darstellt.

Bezüge zur Richtung und Lage beziehen sich - auch in den Pa­ tentansprüchen -, soweit nicht anders angegeben, auf die Orientierung, in welcher die Merkmale des Mikromotors in den Zeichnungen dargestellt sind. Nach dem Verfahren dieser Er­ findung hergestellte Mikromotoren sind typischerweise für den Einsatz in jeder Orientierung einschließlich des Einsat­ zes in wechselnder Orientierung anpaßbar. Desweiteren sind die Figuren nicht maßstäblich gezeichnet und sollten so ver­ standen werden, daß sie eine vereinfachte Darstellung des Mikromotors zeigen, welcher nach dem Verfahren der vorlie­ genden Erfindung hergestellt werden kann. Solche in kommer­ ziellen Ausführungsformen eingesetzte Mikromotoren können hunderte und möglicherweise sogar tausende Mikrospulen auf­ weisen. Einige Merkmale wurden auch vergrößert oder im Ver­ gleich zu anderen verzerrt dargestellt, um eine leichtere Visualisierung der Komponenten und ihrer Herstellung zu er­ möglichen. Insbesondere können extrem dünne Merkmale dicker und relativ lange Merkmale verkürzt dargestellt sein. Mikro­ motoren dieses Typs können ohne weiteres mit Merkmalen, die Dimensionen in der Größenordnung von 20 µm aufweisen, herge­ stellt werden. Minimale Merkmalgrößen liegen typischerweise in der Größenordnung von 10 µm.

Die bevorzugte Planarkonstruktion umfaßt einen Stator, der aus in einer Ebene angeordneten Mikrospulen besteht, und ei­ nen über den Mikrospulen angeordneten Rotor. Die Mikrospulen können eine Vielfalt von Konfigurationen, optional gekrümmt oder in der Form polygonal, mit einer oder mehreren Windun­ gen aufweisen. Der Rotor weist bevorzugt eine regelmäßige Anordnung magnetischer Bereiche auf, die auf oder in dem Ro­ torkörper so angeordnet sind, daß sich zumindest einer immer ausreichend nahe an einer Mikrospule befindet, um die Dreh­ kraft des elektromagnetischen Feldes zu erfahren, wenn diese Mikrospule aktiviert wird. Die magnetischen Bereiche des Ro­ torkörpers können aus Permanentmagneten ausgebildet werden, welche Vorteile bei der Anpassung der Form und Intensität der Energiedichte des magnetischen Feldes und somit der An­ triebskraft des Planar-Mikromotors bieten. Dieses kann je­ doch in bestimmten Ausführungsformen die Notwendigkeit einer Abschirmung gegen äußere elektromagnetische Felder mit sich bringen. Die magnetischen Bereiche können aus Permanentma­ gnet-Materialien, wie z. B. einer CoNiReMn-P-Legierung herge­ stellt werden. Mikromotoren mit variabler Reluktanz (mit ma­ gnetisch weichem Material wie beispielsweise Eisen anstelle der Permanentmagnete) werden in weiteren alternativen Aus­ führungsformen der Erfindung bereitgestellt. Nach der elek­ trischen Erregung der Mikrospulen wirkt das sich um die er­ regten Spulen ausbildende elektromagnetische Feld auf die magnetischen Bereiche des Rotorkörpers ein. Gradienten in dem sich ergebenden Feldmuster erzeugen elektromotorische Kräfte, die den Rotor so drehen, wie die magnetischen Berei­ che des Rotors zu den Mikrospulen hingezogen (oder von die­ sen abgestoßen) werden.

Insbesondere besteht das Starten und Betreiben des Planar-Mi­ kromotors aus einer sequentiellen Erregung von weniger als allen Mikrospulen in der Weise, daß ein oder mehrere magne­ tische Bereiche des Rotors zu dem Mittelpunkt seiner benach­ barten Spule hingezogen wird bzw. werden. Die Erregung kann aus periodisch angelegten Spannungen mit verschiedenen Wel­ lenformen, einschließlich Impulsketten, bestehen, die für das Erreichen des gewünschten Erregungsstroms strukturiert sind. Solche Zeitmuster sind über einen breiten Frequenzbe­ reich bis zu einem Punkt anwendbar, an welchem die Trägheit des Systems die Fähigkeit des Rotors, der Erregungsfrequenz zu folgen, begrenzt. Die Erregungsspannung wird mit einer Phase und Dauer zyklisch angelegt (oder gepulst), um eine Drehung in der gewünschten Richtung zu veranlassen. D.h., es wird eine Mikrospule, welche sich in der richtigen Richtung bezogen auf einen magnetischen Bereich des Rotors befindet, um eine Anziehungskraft in der gewünschten Richtung zu be­ wirken, erregt und innerhalb ausreichender Zeit wieder entregt, um eine Verlangsamung der Rotordrehung zu vermei­ den, nachdem der magnetische Bereich den Winkel der maxima­ len Kraft für diese Mikrospule passiert hat. In ähnlicher Weise kann eine geeignete Phasengestaltung der Erregungs­ spannung dazu verwendet werden, den Rotor zu verlangsamen und/oder zu stoppen. Die Drehbewegung des Rotors einschließ­ lich der Richtung und des Betrags der Drehung kann mit einem hohen Präzisionsgrad durch Steuerung der Sequenz und Dauer der Mikrospulen-Erregung gesteuert werden. D.h., die Drehung kann für eine gewünschte Zeitdauer ausgesetzt oder in ande­ rer Weise gesteuert werden, indem eine Erregungssequenz und Perioden der Erregung der einzelnen Mikrospulen gewählt wer­ den, um die gewünschte zeitliche Folge der auf den Rotor einwirkenden Drehkräfte zu erzeugen. Der Drehsinn des Folge­ musters bestimmt die Richtung der Rotation.

Das Fertigungsverfahren der Erfindung wird nachfolgend unter Einbeziehung verschiedener bevorzugter und alternativer Merkmale und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnun­ gen beschrieben. In der nachstehenden Erläuterung soll unter dem verwendeten Begriff "Durchkontakt" bzw. der Pluralform "Durchkontakte" die Bezeichnung für Pole verstanden werden, die durch eine Schicht hindurch verlaufen und mit Metall zum Erzeugen eines Verbindungsleiters gefüllt (oder zu füllen) sind, um einen elektrischen Pfad zwischen oder durch Schich­ ten hindurch zu erzeugen. Ferner wird der Begriff "fotoempfindliches Strukturierungsmaterial" verwendet, wel­ cher jede Art von Positiv- oder Negativ-Fotolackmaterialien u. dgl. bezeichnen soll, soweit keine spezielle Einschrän­ kung auf eines der beiden gemacht wird. Viele dieser Mate­ rialien sind handelsüblich und Fachleuten bekannt. Dieses beinhaltet beispielsweise den Einsatz eines PMMA-Fotolacks bei LIGA-Techiken. Für die Herstellung von für zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten vorgesehenen Mikromotoren sind auch alternative MEMS-Technologien geeignet. Obwohl die LIGA-Tech­ niken eine gute Dimensionsgenauigkeit, insbesondere bei der Verwendung dickerer Schichten, oder allgemeiner, bei größeren Komponentendimensionen bieten können, erfordern die LIGA-Techniken die Verwendung eines Synchrotrons und sind oft mit größeren Kosten und Komplikationen verbunden. Fo­ toempfindliches Polyimid (PSP) wird für viele Anwendungen bevorzugt, da es durch fotolithographische Standardverfahren unter Verwendung im Handel erhältlicher Materialien struktu­ riert werden kann. Dem Fachmann auf diesem Technologiegebiet werden angesichts der vorliegenden Erfindung zahlreiche wei­ tere geeignete Fotolack-Materialien geläufig sein. Alle der­ artigen Materialien werden, wie vorstehend erwähnt, hierin kollektiv als fotoempfindliche Strukturierungsmaterialien bezeichnet.

Es sollte offensichtlich sein, daß, obwohl die hierin im De­ tail diskutierte bifilare Mikrospulen-Konstruktion bevorzugt wird, der Stator Mikrospulen aufweisen kann, welche eine breite Vielfalt von Konfigurationen, insbesondere bezüglich ihrer elektrischen Verbindung zu den Erregungseinrichtungen, besitzen. In ähnlicher Weise weist der Rotor bevorzugt eine regelmäßige Anordnung radialer magnetischer Elemente auf, die auf dem oder in dem Rotorkörper angeordnet sind. Wie in dem Falle der Statorkonstruktion, werden jedoch dem Fachmann auf diesem Technologiegebiet zahlreiche alternative Rotor­ konstruktionen geläufig sein. Als generelles Prinzip sollte der Rotor in allen statorbezogenen Stellungen eine oder meh­ rere magnetische Elemente ausreichend nahe an einer Mikro­ spule haben, um kollektiv eine ausreichende Kraft aus dem erzeugten elektromagnetischen Feld beizutragen, wenn diese Mikrospule erregt wird, um eine Drehung des Rotors zu bewir­ ken.

Wie vorstehend erwähnt, kann eine große Anzahl von Mikro­ motoren gleichzeitig in einem Chargenprozeß gemäß dem Ver­ fahren der Erfindung aus einem einzigen Wafer eines isolie­ renden Substratmaterials hergestellt werden. Glattflächige Wafer aus Glas oder polierten oxidierten Silizium sind ge­ eignet und für solche Fertigungsprozesse bekannt. Gemäß Dar­ stellung in Fig. 1 wird eine Oberseite 12 eines Substrats 10 gleichmäßig mit einer in verschiedenen späteren Galvanisie­ rungsschritten zu verwendenden Metallschicht 14 beschichtet.

Bevorzugt besteht die Metallschicht 14 aus einer Schicht­ struktur von Metallschichten, besonders bevorzugt aus Chrom oder Titan unmittelbar auf der Oberfläche des isolierenden Substrats, gefolgt von Kupfer, gefolgt von einer weiteren Schicht aus Chrom. Diese Schichten können durch Sputtern (Zerstäuben) oder Aufdampfen mittels bekannter Techniken je­ weils bis zu einer Dicke von bevorzugt etwa 100 nm aufge­ bracht werden. Die untere Schicht aus Chrom oder Titan wirkt als eine Haftschicht zwischen der Substratoberfläche 12 und der galvanischen Kupferzwischenschicht. Die gleichmäßige Kupferzwischenschicht erzeugt eine gleichmäßige Stromvertei­ lung über die Oberfläche des Substrats. Die oberste Chrom­ schicht erzeugt eine verbesserte Haftung mit der Schicht 16 eines fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials, die gemäß Darstellung in Fig. 2 als nächste aufgebracht wird. Die Schicht 16 besteht bevorzugt aus PSP-Material, das durch Aufschleudern (Schleudergießen) bis zu einer Dicke von etwa 20 µm in der üblichen Weise aufgebracht wird. In vorteilhaf­ ter Weise stellt das PSP nahezu vertikale Wände nach der Entwicklung bereit. Nach der Entwicklung des fotoempfindli­ chen Strukturierungsmaterials werden Spuren eines solchen Materials bevorzugt unter Verwendung eines Sauerstoffplasmas entfernt. In der schematischen Ansicht von Fig. 2 ist das Strukturierungsmaterial so strukturiert dargestellt, daß es eine Öffnung 17 bildet, in welcher eine Leitungsbrücke aus­ gebildet wird, um eine elektrische Verbindung zwischen einem Anschlußpunkt einer bifilaren Mikrospule und einem Versor­ gungsbus herzustellen, die beide in den nachfolgend erläu­ terten aufeinanderfolgenden Schritten ausgebildet werden.

Fig. 3 zeigt eine durch galvanisches Einbringen von Kupfer oder eines anderen Metalls in die Öffnung 17 ausgebildete Leitungsbrücke 18. Fig. 3A zeigt die entsprechende Quer­ schnittsansicht für eine benachbarte Leitungsbrücke 18A, welche eine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten An­ schlußpunkt der bifilaren Mikrospule und einem Massebus her­ stellt, der sich radial außerhalb des Versorgungsbusses be­ findet, mit welchem der erste Anschlußpunkt verbunden ist.

Da der Massebus radial außerhalb des Versorgungsbusses liegt, erstreckt sich die Leitungsbrücke 18A in Fig. 3A wei­ ter nach rechts als die Leitungsbrücke 18 in Fig. 3. Die re­ lativen Lagen der Leitungsbrücken 18 und 18A sind aus Fig. 36 ersichtlich (in der das Substrat nicht dargestellt ist). Man sieht, daß sich die Leitungsbrücke 18 von einem ersten Anschlußpunkt 20 der bifilaren Mikrospule 22 radial nach außen zu einem sich im Kreis erstreckenden Versorgungs­ bus 24 erstreckt. Der Versorgungsbus 24 ist der zweite von drei konzentrischen Versorgungsbussen. Der erste Versor­ gungsbus 26 liegt radial innerhalb des Versorgungsbusses 24 und der dritte Versorgungsbus 28 radial außerhalb des Ver­ sorgungsbusses 24. Ein vierter konzentrischer Bus, der Mas­ sebus 30, liegt radial außerhalb der drei Versorgungsbusse. Es ist ersichtlich, daß sich die elektrische Leitungsbrücke 18A von dem zweiten Anschlußpunkt 21 der bifilaren Mikrospu­ le 22 radial nach außen zum Massebus 30 erstreckt. Somit er­ streckt sich die Leitungsbrücke 18A, wie vorstehend erwähnt, in Fig. 3A weiter nach rechts als die Leitungsbrücke 18 in Fig. 3.

Um einen visuellen Bezug und eine Orientierung zu vermit­ teln, ist ein kleiner Abschnitt des radial äußeren Endes der elektrischen Leitungsbrücke 18A in den Fig. 4 bis 35 dar­ gestellt. Es sollte jedoch klar sein, daß die Leitungsbrücke 18A tatsächlich auf eine andere Querschnittstiefe im Ver­ gleich zu derjenigen der Leitungsbrücke 18 verschoben ist.

Ebenfalls in Fig. 36 ist der Übergang von Stromphasen von einer bifilaren Mikrospule zur nächsten dargestellt. Insbe­ sondere der erste Anschlußpunkt 32 der bifilaren Mikrospule 34, welche der vorgenannten bifilaren Mikrospule 22 unmit­ telbar benachbart ist, ist mit dem Versorgungsbus 28 über eine elektrische Leitungsbrücke 36 verbunden. Der Schalt­ kreis für die Mikrospule 34 wird durch eine elektrische Lei­ tungsbrücke 38 vervollständigt, welche sich von dem zweiten Anschlußpunkt 40 der Mikrospule 34 zum Massebus 30 er­ streckt. Der erste Anschlußpunkt 42 der nächsten benach­ barten Mikrospule 44 ist über die elektrische Leitungsbrücke 46 mit dem innersten Versorgungsbus 26 verbunden. Ihr zwei­ ter Anschlußpunkt 48 ist über eine elektrische Leitungsbrüc­ ke 50 mit dem Massebus 30 verbunden. Die nächste benachbarte Mikrospule 52 hat dieselbe Phase wie die erste Mikrospule 22 und ist demzufolge mit demselben Versorgungsbus verbunden.

Desweiteren werden gemäß Fig. 3 und Fig. 3A die elektrischen Leitungsbrücken 18 und 18A bevorzugt durch galvanisches Ein­ bringen von Kupfer in die strukturierte Schicht 16 ausgebil­ det. Wenn eine Schichtstruktur von Metallschichten für die galvanische Zwischenschicht 14 eingesetzt wird, sollte die oberste Chromhaftschicht in den aufgrund der Entwicklung der fotoemp­ findlichen Schicht 16 freiliegenden Flächen entfernt werden, wie z. B. durch Eintauchen der Anordnung in eine wäßrige Salzsäurelö­ sung, typisch 1 : 1 HCl/Wasser. Nach einem Abspülen mit deio­ nisiertem Wasser wird der freigelegte Wafer in einer 10%igen Schwefelsäurelösung gebeizt, um jedes Kupferoxid zu entfer­ nen. Dann wird eine Kupferschicht, bevorzugt 20 µm dick, in die Schicht 16 unter Verwendung von sauren Standard-Gal­ vanikbädern für Kupfer und einer Standard-Gleich­ spannungs-Stromversorgung galvanisiert. Obwohl galvanisch aufgebrachtes Kupfer vorgezogen wird, wird dem Fachmann auf diesem Technologiegebiet die Eignung für verschiedene Auf­ bringungen alternativer Metalle, Legierungen und Abscheide­ verfahren geläufig sein.

Dann wird eine dünne Schicht fotoempfindlichen Strukturie­ rungsmaterials, bevorzugt etwa 10 µm, auf die in Fig. 3 dar­ gestellte Anordnung abgeschieden. Diese zweite Schicht wird für Durchkontaktöffungen für die Herstellung von Durch­ kontakten, bevorzugt durch galvanisches Aufbringen von Kup­ fer, strukturiert, die sich senkrecht nach oben erstrecken, um einen elektrischen Kontakt mit den jeweiligen bifilaren Mikrospulen und Versorgungsbussen, wie vorstehend erläutert, herzustellen. Fig. 4 zeigt diese Schicht 54 des Strukturie­ rungsmaterials als erste aufgebrachte Schicht. In Fig. 5 sind die Schicht 54 bereits strukturiert und die Durchkon­ takte ausgebildet. Insbesondere ist zu sehen, daß die elek­ trische Leitungsbrücke 18 mit einem radial einwärts liegen­ den Durchkontakt 56, welcher eine elektrische Verbindung mit dem ersten Anschlußpunkt 20 der bifilaren Mikrospule 22 (siehe Fig. 36) herstellt, und einem radial auswärts lie­ genden Durchkontakt 58 versehen ist, welcher eine elektri­ sche Verbindung mit dem Versorgungsbus 24 herstellt. Es ist zu sehen, daß das radial äußere Ende 19 der elektrischen Leitungsbrücke 18A einen vertikalen Durchkontakt 60 für einen elektrischen Kontakt mit dem Massebus 30 aufweist. Die elek­ trischen Durchkontakte bestehen bevorzugt auch aus gal­ vanisch aufgebrachtem Kupfer.

Die Strukturierungsschichten 16 und 54 werden dann abgelöst und die galvanische Zwischenschicht 14 entfernt, was die in Fig. 6 dargestellte Anordnung ergibt. Ein geeigneter Ablöser für das Entfernen der strukturierten Schichten ist handels­ üblich und dem Fachmann bekannt. Die galvanische Metall­ schicht 14 wird mittels geeigneter Ätzmittel entfernt, um die Strukturen der elektrischen Leitungsbrücken und Durch­ kontakte elektrisch voneinander zu isolieren. Wenn die gal­ vanische Zwischenschicht der vorstehend beschriebene Ti/Cu/Cr-Schichtstapel ist, kann die oberste Chromschicht zuerst mittels einer 50%igen wässrigen Salzsäurelösung ent­ fernt werden. Die Kupferschicht kann in einer 35 Grad Baum-Ei­ sen(III)-Chlorid-Lösung oder in einem anderen milden Kup­ ferätzmittel entfernt werden, wobei Sorgfalt aufzuwenden ist, um nicht die elektrischen Leitungsbrücken und Durch­ kontakte signifikant anzuätzen. Die untere Titanschicht kann mittels einer verdünnten Salzsäurelösung entfernt werden.

Die in Fig. 6 dargestellte Anordnung wird im nächsten Schritt geebnet. Insbesondere wird gemäß Darstellung in Fig. 7 eine Schicht 62 aus Epoxid abgeschieden. Geeignete Epoxid-Materialien und andere geeignete Materialien sind im Handel erhältlich und dem Fachmann geläufig. Prinzipiell muß das Material ausreichend stabil gegenüber den nachstehend beschriebenen Prozeßschritten sein. Die Schicht 62 kann bei­ spielsweise durch Aufschleudern oder ein anderes geeignetes Verfahren aufgebracht werden. Nach der Aushärtung der Schicht 62 wird deren Oberseite bevorzugt mittels drehender Diamantwerkzeuge ausreichend weit geschliffen oder mikroge­ fräst, um das Metall der Durchkontakte 56, 58 und 60 (und natürlich der anderen Durchkontakte, die für die vielen an­ deren Mikrospulen dieses und anderer auf dem Wafer herge­ stellter Mikromotoren ausgebildet sind) gemäß Darstellung in Fig. 8 freizulegen. Auf die geebnete Oberfläche 64 wird eine zweite galvanische Zwischenschicht 66 aufgebracht, die einen elektrischen Kontakt zu den Durchkontakten herstellt. Die galvanische Zwischenschicht 66 ist bevorzugt ein Metall­ schichtstapel, der gemäß vorstehender Beschreibung abge­ schieden wird. Die sich ergebende Anordnung (oder "Unteranordnung") ist in Fig. 9 dargestellt. Eine dritte Schicht 68 eines fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials wird auf der galvanischen Zwischenschicht 66 für die Ausbil­ dung der Mikrospulen-, Versorgungsbus- und Massebus-Struk­ turen abgeschieden und strukturiert. Die Schicht 68, welche in Übereinstimmung mit der bevorzugten Dicke der vor­ genannten Statorkomponentenstrukturen bevorzugt etwa 20 µm beträgt, ist nach der Strukturierung in Fig. 10 dargestellt. Die Statorkomponenten werden bevorzugt durch galvanisches Aufbringen von Kupfer im wesentlichen in der zuvor disku­ tierten Art aufgebracht. Die sich ergebende Anordnung ist in Fig. 11 dargestellt, die die bifilare Mikrospule 22, ein­ schließlich ihres ersten Anschlußpunktes 20, in vertikaler Ausrichtung zu dem Durchkontakt 56 aufweist, der einen elek­ trischen Kontakt mit der Leitungsbrücke 18 herstellt. Radial außerhalb (d. h., in Fig. 11 rechts) von der Mikrospule 22 befinden sich die Versorgungsbusse 26, 24 und 28 in dieser Reihenfolge, wobei der Durchkontakt 58 einen elektrischen Kontakt zwischen dem äußeren radialen Ende der Leitungsbrüc­ ke 18 und dem Versorgungsbus 24 herstellt. Radial auswärts von dem Versorgungsbus 28 befindet sich der Massebus 30, welcher über den Durchkontakt 60, der sich von dem radialen äußeren Ende 19 der Leitungsbrücke 18A nach oben zu dem Mas­ sebus 30 erstreckt, in elektrischem Kontakt mit der Lei­ tungsbrücke 18A steht.

Wenn Rasterzähne in die Mikromotorstruktur, wie z. B. bei ei­ ner Schrittmotorkonstruktion, einzubringen sind, wird ein magnetisches Material abgeschieden, um Statorzähne für das Aufbringen einer Rastkraft (detente force) auf den Rotor auszubilden. Zuerst wird das Strukturierungsmaterial 68 ent­ fernt, was zu der in Fig. 12 dargestellten Anordnung führt. Dann wird eine vierte Schicht 70 bevorzugt durch Gießen oder eine Rakel-Technik aufgebracht. Die Statorstruktur wird oberhalb der Schicht 70, welche die Mikrospulen und Busse enthält, aufgebracht. Aufschleudern wird nicht bevorzugt, da die großen Statorstrukturen typischerweise signifikante Un­ gleichmäßigkeiten in der Tiefe der Schicht 70 ergeben wür­ den. Dann wird die Schicht in der üblichen Art strukturiert, gefolgt von einer Abscheidung magnetischen Materials, um die in Fig. 14 dargestellte Anordnung zu erzeugen. Die Stator­ zähneanordnung 72 wird bevorzugt durch galvanisches Aufbrin­ gen eines magnetischen Materials, wie z. B. Ni-Fe (80% Ni, 20% Fe), welches als ein geeignetes magnetisches Material mit niedriger Permeabilität dient, hergestellt. Die Stator­ zähneanordnung 72 kann auf die Kupferzwischenschicht 66 in der üblichen Weise galvanisch aufgebracht werden. Das Ablö­ sen der Strukturierungsschicht 70 und das Entfernen der Flä­ chen der galvanischen Zwischenschicht 66, welche dadurch freigelegt werden, ergibt die in Fig. 15 dargestellte Anord­ nung. Die galvanische Zwischenschicht 66 wird entfernt, um die Statorkomponenten und elektrischen Leitungen auf dieser Tiefe voneinander elektrisch zu isolieren.

Die Anordnung von Fig. 15 wird geebnet, wiederum bevorzugt durch Einkapselung oder Einbettung der Anordnung in eine zu­ sätzliche Epoxidschicht 73 über der Epoxidschicht 62, ge­ folgt von einem Mikrofräsen seiner Oberseite 74, um Un­ regelmäßigkeiten des galvanischen Auftrags und Gieß-Unregel­ mäßigkeiten des Epoxids zu beseitigen. Die glatte Oberfläche 74 dient als Lagerfläche für den Rotor in der Endkonfigu­ ration. Die sich ergebende Anordnung ist in Fig. 16 darge­ stellt.

Gemäß einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Mikrofer­ tigungs-Verfahrens werden Freigabeschichten dazu verwendet, eine kontinuierliche Herstellung des Mikromotors in einer sich selbst zusammenbauenden Form zu ermöglichen. Wegen der kleinen Abmessungen der Mikromotorkomponenten wäre es teuer und unpraktisch, die Mikromotorkomponenten getrennt herzu­ stellen und sie dann mechanisch zusammenzubauen. Aufgrund der Verwendung von Freigabeschichten geht nun die Herstel­ lung des Mikromotors unter Verwendung derselben MEMS-Tech­ nologien weiter, um den Rotor und die Gehäusekomponenten an Ort und Stelle über der in Fig. 16 dargestellten Sta­ tor/Substrat-Anordnung aufzubauen. In höchst bemerkenswerter Weise werden die Freigabeschichten dazu verwendet, einen Ro­ tor herzustellen, welcher innerhalb einer Rotorkammer, die im Verlauf der Mikrofertigung des Mikromotors ausgebildet wird, permanent eingeschlossen und gleichwohl drehbar ist.

Insbesondere wird gemäß Darstellung der Anordnung in Fig. 17 eine Freigabeschicht 76 auf der Oberseite 74 der in Fig. 16 dargestellten Anordnung abgeschieden und dann strukturiert, um eine Fläche abzudecken, die der Bodenfläche der Rotorkam­ mer in der endgültigen Anordnung entspricht. In der Anord­ nung von Fig. 17 ist zu sehen, daß die strukturierte Freiga­ beschicht 76 die Statorkomponenten, nämlich die Mikrospule 22 und die Statorzähneanordnung 72, überdeckt. Zur Vereinfa­ chung wird das Bezugszeichen 73 dazu verwendet, die verein­ ten Epoxidschichten 73 und 62 in den Fig. 17 bis 35 zu be­ zeichnen. Die Freigabeschicht besteht bevorzugt aus Poly-Al­ pha-Metylstyrol, das in einer Benzol-Lösung abgeschieden wird. Es kann auf die Oberfläche 74 aufgeschleudert werden. Das Lösungsmittel wird dann beispielsweise durch Ausbacken entfernt. Für die Erzeugung der Freigabeschicht 76 wird ein geeignetes fotoempfindlichen Strukturierungsmaterial auf die Anordnung aufgebracht. Der Fotolack wird in der üblichen Weise strukturiert und entwickelt, und die von dem struk­ turierten Fotolack nicht geschützten Flächen der Freigabe­ schicht können dann in Benzol oder in einem anderen geeig­ neten Lösungsmittel entfernt werden. Die Fotolackschicht wird dann ebenfalls in der üblichen Weise entfernt. Das Po­ ly-Alpha-Methylstyrol wird in Hinblick auf seine Verarbei­ tungseigenschaften bevorzugt: es verdampft, wenn es im Vaku­ um auf eine Temperatur von 180°C aufgeheizt wird. Andere ge­ eignete Freigabematerialien sind im Handel erhältlich und dem Fachmann bekannt. Bevorzugte Freigabematerialien umfas­ sen Polymere mit niedriger Verglasungstemperatur. Das Frei­ gabematerial sollte mittels eines trockenen Entfernungspro­ zesses entfernt werden, um Flüssigkeits-Kapillarkräfte zu vermeiden, welche die Komponenten des Mikromotors festfres­ sen lassen könnten. Alternative geeignete trockene Entfer­ nungstechniken umfassen beispielsweise Ionenätzen und Plas­ maveraschung in einer Sauerstoff-Partialdruck-Atmosphäre.

Ein erster Schritt bei der Ausbildung des Rotors und der Ge­ häusestrukturen ist das Abscheiden einer galvanischen Zwi­ schenschicht 78 auf der Oberseite der Anordnung von Fig. 17. Die galvanische Zwischenschicht 78 kann beispielsweise einen 100 nm dicken Schichtstapel aus Titan über Nickel aufweisen. Die sich ergebende Anordnung ist in Fig. 18 dargestellt. Dann wird eine dicke Fotolackschicht 80 über der galvani­ schen Zwischenschicht 78 abgeschieden und strukturiert, um die magnetischen Bereiche oder Pole und die Rotor­ zähnestruktur des Rotors auszubilden. Das Strukturierungs­ material für die Schicht 80 ist bevorzugt etwa 20 µm dick, was der beabsichtigten Höhe der vorgenannten Rotorkomponen­ ten entspricht, und kann durch Aufschleudern aufgebracht werden. Fig. 19 zeigt die Anordnung nach der Strukturierung der Schicht 80.

Die magnetischen Komponenten des Rotors werden bevorzugt durch elektrodenloses Galvanisieren eines permanentmagne­ tischen Materials, bevorzugt eines Materials mit hoher Koer­ zitivfeldstärke, besonders bevorzugt oberhalb von 119 · 10³ pie ausgebildet, was ein permamentmagnetisches Moment senk­ recht zu der Ebene des Rotorkörpers ergibt, wenn er magneti­ siert wird. Diese Richtung des magnetischen Moments ergibt die größten Drehmomente, wenn elektrischer Strom an die Mi­ krospulen angelegt wird. Die Koerzitivfeldstärke des Materi­ als sollte hoch sein, um eine starke permanente Magnetisie­ rung in dem Material zu erzeugen, nachdem es durch die übli­ chen externen Maßnahmen, wie z. B. durch Einwirkung eines starken Magnetfelds, magnetisiert wurde. Bevorzugt wird eine CoNiReMn-P-Legierung oder ein ähnliches für elektrodenloses Galvanisieren geeignetes Material verwendet. Dieses bevor­ zugte Material, eine komplexe Legierung von Co, Re, Ni, Mn und P, bildet die Rotorpole und die Rotorrastzähnestruktur durch elektrodenloses Abscheiden als Ergebnis einer autoka­ talytischen Reaktion des Zwischenschichtmaterials, wenn der Wafer in das elektrodenlose Bad der Glavanisierungslösung eingetaucht wird (vgl. Osaka-T. et al., JPN. J. APPL. PHYS., 26, 1674 (1987)).

Obwohl das elektrodenlose Galvanisieren im Prinzip zu Schichten beliebiger Dicke führen kann, sind die gemäß die­ ser Erfindung ausgebildeten magnetischen Pole und die Rast­ zähnestruktur des Rotors etwa 20 bis 40 µm dick (Dicke in vertikaler Richtung gemäß Darstellung in den Fig. 1 bis 35). Die dickeren magnetischen Körper können eine stärkere An­ sprechempfindlichkeit auf ein gegebenes elektromotorisches Feld erzeugen, aber die Dimensionsgenauigkeit und die Frei­ gabefähigkeit des Rotors kann schwieriger zu erreichen sein. Alternative magnetische Materialien und Herstellungstechni­ ken sind dem Fachmann geläufig. Bei gesputterten Cr-Co-Schi­ chten hat sich eine senkrechte Anisotropie ergeben. Die­ se weisen aber im allgemeinen eine Schichtdicke von weniger als 1 µm auf, was ihre Nützlichkeit signifikant einschränkt.

Gemäß Darstellung in Fig. 20 werden der magnetische Bereich (Pol 82) und die Rotorrastzähnestruktur 84 in der Schicht 80 ausge­ bildet. Die Schicht 80 wird dann entfernt, was die in Fig. 21 dargestellte Anordnung ergibt, worauf dann eine dic­ ke Schicht 86 eines Fotolacks auf die Anordnung von Fig. 21 aufgebracht und strukturiert wird, um einen unteren Ab­ schnitt der Rotorwelle und des Massebuskontaktes zu erzeu­ gen. Es bedarf keiner näheren Erläuterung, daß ein elektri­ scher Kontakt auch für die Versorgungsbusse 24, 26 und 28 erforderlich ist, wofür sich vertikal erstreckende Kontakte ebenfalls an entsprechenden Stellen in einer im wesentlichen gleichen Weise ausgebildet werden können, wie für den Masse­ bus 30 dargestellt. Gemäß Darstellung in Fig. 22 weist die Schicht 86 des fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials eine ausreichende Dicke auf, um die Rotorstrukturen aus dem magnetischen Material zu überdecken. Es ist evident, daß die Öffnung 88 in dieser sechsten Lage des Strukturierungsmate­ rials, was auch für alle in den Fig. 1 bis 35 dargestellten Schichten gilt, im wesentlichen symmetrisch bezüglich einer vertikalen Linie an der linken Kante ist, da zur Vereinfa­ chung nur die rechte Seite der Fertigungsanordnung des Mi­ kromotors dargestellt ist.

Fig. 23 zeigt die Anordnung in dem Zustand, in dem der Mas­ sebuskontakt 90 und die Rotorwelle 92 bevorzugt aus Nickel durch Galvanisierung ausgebildet sind. Besonders einfach ist es, wenn dasselbe Material sowohl für die Rotorwelle 92 als auch für den Massebuskontakt 90 verwendet wird. Das Entfer­ nen der Strukturierungsmaterialschicht 86 und der Abschnitte der dadurch freigelegten galvanischen Zwischenschicht 78 er­ gibt die in Fig. 24 dargestellte Anordnung.

Eine siebente Schicht 94 eines fotoempfindlichen Struk­ turierungsmaterials wird über der Anordnung von Fig. 24 in ausreichender Tiefe abgeschieden, um die Rotorkomponenten und Buskontakte abzudecken. Gemäß einem vorteilhaften Aspekt des hierin beschriebenen Verfahrens, bleiben Abschnitte der Strukturierungsmaterialschicht 94 als ein Teil der fertig­ gestellten Mikromotoranordnung stehen. Die Schicht 94 kann aufgerakelt werden, um eine dicke, relativ glatte Schicht zu erhalten. Die Schicht 94 wird gemäß Darstellung in Fig. 26 strukturiert, um eine vertikale Umfangs-Freigabeschicht aus­ zubilden, in welche Freigabematerial gemäß vorstehender Be­ schreibung eingebracht wird. Die vertikale Freigabeschicht 96 ist bevorzugt etwa 2 bis 5 µm breit und dient dazu, die radiale Außenoberfläche der Rotorkammer in der fertiggestellten An­ ordnung zu definieren. Die bevorzugten vorstehend offenbar­ ten Freigabematerialien können in die Umfangs-Frei­ gabeschicht 96 eingebracht werden, indem die Schicht 94 auf der Anordnung bei reduziertem Atmosphärendruck beschich­ tet, die Schicht mit Freigabematerial gefüllt, und dann der Druck auf Atmosphärenpegel gebracht wird. Es hat sich ge­ zeigt, daß dadurch das flüssige Freigabematerial in die Schicht getrieben wird, und eingeschlossene Luftblasen redu­ ziert oder eliminiert werden. Die vertikale Schicht 96 er­ streckt sich von dem radial äußeren Durchmesser der horizon­ talen Freigabeschicht 76 aus nach oben. Die Oberseite 98 der in Fig. 26 dargestellten Anordnung wird dann ausreichend mi­ krogefräst, um die Oberseite der Rotorwelle 92 und den Bus­ kontakt 90 freizulegen.

Eine achte Schicht 98 eines fotoempfindlichen Strukturie­ rungsmaterials wird auf die in Fig. 27 dargestellte Anord­ nung aufgebracht und strukturiert, um die Rotorwelle 92, die vertikale Umfangs-Freigabeschicht 96 und den Buskontakt 90 weiter vertikal zu verlängern. Da die galvanische Zwischen­ schicht 78 entfernt wurde (im Gegensatz zu dem Verfahren bei bekannten Rotorstrukturen), werden der Buskontakt und die Rotorwelle bevorzugt durch elektrodenloses Galvanisieren nach oben verlängert. Beispielsweise kann ein elektrodenlo­ ses Galvanisieren von Nickel ausgeführt werden, um selektiv weiter auf der freiliegenden Oberseite der zuvor galvanisch aufgebrachten Rotorwelle und Buskontaktbereiche abzuschei­ den. Das elektrodenlose Galvanisieren beeinträchtigt nicht die Öffnung 100, welche für eine vertikale Aufwärtsverlänge­ rung der Umfangs-Freigabeschicht 96 ausgebildet wurde. Die sich ergebende Struktur ist in Fig. 28 dargestellt. Das Freigabematerial wird dann in der vorstehend beschriebenen Weise in die vertikale Verlängerung 100 der Umfangs-Frei­ gabeschicht 96 eingefüllt und über die Oberseite der in Fig. 28 dargestellten Anordnung verteilt. Die obere horizon­ tale Freigabeschicht 102 wird gemäß Darstel­ lung in Fig. 29 strukturiert. Diese entspricht der Oberseite der Rotorkammer in der endgültigen Mikromotoranordnung. Es ist ersichtlich, daß sie sich zwischen der vertikalen Um­ fangs-Freigabeschicht 96/100 und der mittigen Rotorwelle 92 erstreckt. Es sollte angemerkt werden, daß vieles von der achten Strukturierungsmaterialschicht, nämlich der Schicht 98, in der fertiggestellten Mikromotoranordnung stehen­ bleibt. Insbesondere bleiben radial innerhalb der Umfangs-Frei­ gabeschicht 96/100 befindliche Abschnitte in dem Mikro­ motor als Teil des planaren Rotorkörpers stehen, während Ab­ schnitte der Schicht 98 radial außerhalb der Umfangs-Frei­ gabeschicht als Abschnitte des Mikromotorgehäuses stehen bleiben.

Gemäß Darstellung in Fig. 30 wird eine neunte Schicht 104 foto­ empfindlichen Strukturierungsmaterials auf die Anordnung von Fig. 29 aufgebracht und strukturiert, um die Rotorwelle 92 und den Buskontakt 90 weiter zu verlängern. Die Schicht 104 ist besonders bevorzugt ein Positiv-Fotolackmaterial, um ei­ ne erste Strukturierung zu ermöglichen, um eine weitere ver­ tikale Verlängerung der Rotorwelle und Buskontakte, wiederum bevorzugt durch ein elektrodenloses Abscheiden von Nickel, gefolgt von einer zweiten Strukturierung, zu ermöglichen, und um eine zweite vertikale Umfangs-Freigabeschicht gemäß der unmittelbar folgenden Beschreibung zu erzeugen. Wenn ein negatives Fotolackmaterial, wie z. B. PSP verwendet werden würde, wäre das zu entfernende Material für die Ausbildung der zweiten vertikalen Umfangs-Freigabeschicht bereits be­ lichtet und könnte nicht weiter strukturiert werden. Somit stellt die Verwendung eines Positiv-Fotolacks für die Schicht 104 einen signifikanten und vorteilhaften Aspekt des hierin beschriebenen Verfahrens dar.

Die vorstehend erwähnte zweite vertikale Umfangs-Freigabe­ schicht ist in Fig. 31 dargestellt. Insbesondere wird die vertikale Umfangs-Freigabeschicht 106 in der Schicht 104 strukturiert und dann gemäß vorstehender Beschreibung mit Freigabematerial aufgefüllt. Da die Schicht 104 als ein Teil des Gehäuses des Mikromotors stehenbleibt, erlaubt die Frei­ gabeschicht 106 die Drehung der Rotorwelle 92 in der endgül­ tigen Anordnung. Man beachte, daß sich die vertikale Schicht 106 von dem radial inneren Umfang der oberen Freigabeschicht 102 nach oben erstreckt.

Um eine weitere vertikale Verlängerung der Rotorwelle 92 zu erleichtern, wird eine Schutzschicht 108 über dem Rest der Oberseite 110 der Anordnung in Fig. 31 aufgebracht. Die sich ergebende Struktur ist in Fig. 32 dargestellt. Die Schutz­ schicht 108 kann beispielsweise durch eine herkömmliche Auf­ dampf- oder Sputter-Abscheidung von Aluminium bis zu einer Dicke von etwa 100 nm hergestellt werden. Die Schutzschicht 108 verhindert, daß die darunterliegende Strukturierungs­ materialschicht 104 UV-Strahlung sowie weiteren Fotolackbe­ arbeitungen bei den letzten Schritten ausgesetzt wird.

Auf die in Fig. 32 dargestellte Untereinheit wird eine dicke zehnte Schicht 110 eines fotoempfindlichen Strukturierungs­ materials aufgebracht und für eine weitere vertikale Ver­ längerung der Rotorwelle 92 strukturiert. Die Struktu­ rierungsschicht 110 ist typischerweise etwa 20 µm dick. Die sich ergebende Struktur ist nach einer elektrodenlosen Nic­ kelabscheidung zur Verlängerung der Rotorwelle 92 in Fig. 33 dargestellt.

Die Strukturierungsschicht 110 und die Schutzschicht 108 werden dann mittels herkömmlicher Techniken entfernt, was die in Fig. 34 dargestellte Anordnung ergibt. Die eigentli­ che Mikromotorstruktur wird dann durch Entfernen des Freiga­ bematerials vervollständigt. Insbesondere werden die verti­ kalen Umfangs-Freigabeschichten 106 und 100/96 zusammen mit der oberen Freigabeschicht 102 und der unteren Freigabe­ schicht 76 entfernt, was den Rotor frei drehbar innerhalb der Rotorkammer zurückläßt. Gemäß vorstehender Beschreibung wird ein trockenes Entfernungsverfahren bei der Entfernung des Freigabematerials eingesetzt, wie z. B. ein Aufheizen un­ ter Vakuum in dem Falle des bevorzugten Freigabematerials Poly-Alpha-Methylstyrol. Die vollständig fertiggestellte Mi­ kromotoranordnung ist in Fig. 35 dargestellt.

Eine perspektivische Ansicht des Rotors ist in Fig. 37 ein­ schließlich der Rotorwelle 92 dargestellt, die sich in senk­ rechter Richtung zu dem Rotorkörper 93 erstreckt, in welchem sich radial erstreckende magnetische Pole, einschließlich des Pols 82, kreisförmig in Abständen verteilt sind. Die Ro­ torrastzähnestruktur 84 ist am äußeren radialen Ende der ma­ gnetischen Pole zu sehen. In Fig. 38 ist die Phasenbeziehung zwischen einer repräsentativen Gruppe magnetischer Pole des Rotors, denen allen das Bezugszeichen 90 zugeordnet ist, und den darunterliegenden bifilaren Mikrospulen des Stators, de­ nen allen das Bezugszeichen 95 zugeordnet ist, dargestellt. Da der Mikromotor der Fig. 1 bis 35 eine 3-Phasen-Kon­ struktion ist, sieht man, daß die Pol/Rotor-Phasen­ beziehung ein sich bei jeweils 3 Polen wiederholendes Muster aufweist.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung eines Planar-Mikromotors mit einem von einem elektrisch isolierenden Substrat (10) unterstützten Stator, der in einer Ebene angeordnete Mi­ krospulen (22) für die Aufnahme elektrischer Ströme auf­ weist, um selektiv elektromagnetische Felder zu erzeu­ gen, gekennzeichnet durch mindestens die nachfolgenden Schritte in der beschriebenen Reihenfolge:
Ausbilden einer planaren unteren Freigabeschicht (76) zumindest über den Mikrospulen (22) des Stators;
Fertigen eines Rotorkörpers (93), einer Um­ fangs-Freigabeschicht (96, 100) radial außerhalb des Ro­ torkörpers (93) und einer Seitenwand des Gehäuses und Ausbilden einer planaren oberen Freigabeschicht (102) über dem Rotorkörper (93);
Ausbilden einer Abdeckwand des Gehäuses über der oberen Freigabeschicht (102), und
Ausbilden einer Rotorkammer durch Entfernen der Freigabeschichten (76, 96, 100, 102).

2. Verfahren zur Herstellung eines Planar-Mikromotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Freigabema­ terial für die Freigabeschichten (76, 96, 100, 102, 105) Poly-Alpha-Metylstyrol ist, und dieses zur Aus­ bildung der Rotorkammer durch Aufheizen auf mindestens 180°C bei einem Druck unterhalb des Atmosphärendrucks entfernt wird.

3. Verfahren zur Herstellung eines Planar-Mikromotors nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es, vor der Entfernung des Freigabematerials, das Ausbilden ei­ ner Rotorwelle (92) aufweist, die sich von dem Rotorkör­ per (93) nach oben erstreckt, wobei eine zusätzliche Um­ fangs-Freigabeschicht (106) die Rotorwelle von dem Ge­ häuse trennt.

4. Verfahren zur Herstellung eines Planar-Mikromotors nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle (92) durch galvanisches Aufbringen eines er­ sten Abschnittes nahe dem Rotorkörper gefolgt von einem elektrodenlosen galvanischen Aufbringen eines zweiten Abschnittes, der sich von dem ersten Abschnitt nach oben erstreckt, hergestellt wird.

5. Verfahren zur Herstellung eines Planar-Mikromotors nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator bifilare Mikrospulen (22) für die Aufnahme elektrischer Ströme zum Erzeugen elektromagnetischer Felder aufweist, wobei sich die bifilaren Mikrospulen in einer ersten Ebene um einen Mittelpunkt herum kreisför­ mig in Abständen verteilt radial erstrecken.

6. Verfahren zur Herstellung eines Planar-Mikromotors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der planare Rotorkörper (93) mehrere um eine Rotorwelle herum kreisförmig in Abständen verteilte und über den bifilaren Mikrospulen (22) ausgerichtete magnetische Be­ reiche (82) aufweist, wobei die magnetischen Bereiche durch elektrodenloses Abscheiden eines permanentmagneti­ schen Materials mit einer Koerzitivfeldstärke von ober­ halb 119 · 10³ A/m (1500 Oe) und anschließendem Aussetzen der Einwirkung eines externen Magnetfeldes hergestellt werden.

7. Verfahren zur Herstellung eines Planar-Mikromotors nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schichten fotoempfindlichen Strukturierungsmate­ rials bei der Mikrofertigung des Stators und Rotors ver­ wendet werden, wobei Abschnitte zumindest einiger Schichten des fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials in dem Mikromotor verbleiben, um zumindest teilweise das Gehäuse zu bilden.

8. Verfahren zur Herstellung eines Planar-Mikromotors nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Abschnitte zumindest einer der Schichten des fotoemp­ findlichen Strukturierungsmaterials in dem Mikromotor als Teil des Rotorkörpers verbleiben.

9. Chargenverfahren zum Fertigen mehrerer planarer Mi­ kro-Schrittmotoren aus einem einzigen Wafer eines glat­ ten, elektrisch isolierenden Substratmaterials unter Ver­ wendung des Verfahrens nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jeder Mikroschrittmotor aufweist:
ein aus einem Abschnitt des Wafers hergestelltes Substrat (10); Statoreinrichtungen zum Aufnehmen einer dreiphasigen elektrischen Energie, um selektiv elektro­ magnetische Felder zu erzeugen, wobei die Statoreinrich­ tungen umfassen: (a) kreisförmig in Abständen verteilte bifilare Mikrospulen (22), die von dem Substrat unter­ stützt werden und radial in einer ersten Ebene um einen Mittelpunkt herum regelmäßig angeordnet sind und (b) in einem Kreis in der ersten Ebene radial außerhalb der bi­ filaren Mikrospulen regelmäßig angeordnete Statorzähne (72);
Rotormittel zur Drehung in einer im wesentlichen zu der ersten Ebene parallelen zweiten Ebene als Reaktion auf die elektromagnetischen Felder, wobei die Rotormit­ tel umfassen: kreisförmig in Abständen verteilte längli­ che magnetische Bereiche als Polelemente (82), die radial in einem planaren Rotorkörper (93) um eine Rotorwelle (92) herum regelmäßig angeordnet sind, die eine Rotationslängsachse im wesentlichen senkrecht zu dem Rotorkörper besitzt und sich durch den Mittelpunkt in der ersten Ebene er­ streckt, und Rotorrastzähne, die in dem Rotorkörper in einem Kreis in der zweiten Ebene radial außerhalb der Polelemente zu den Statorzähnen (72) ausgerichtet regel­ mäßig angeordnet sind;
Gehäuseeinrichtungen, welche eine auf den Statormit­ teln gelagerte und den Rotorkörper umgebende Seitenwand und eine einteilig damit ausgeführte Abdeckungswand, die sich über dem Rotorkörper (93) in einer zu der ersten und zweiten Ebene im wesentlichen parallelen dritten Ebene erstreckt, umfassen, wobei die Gehäuse- und Sta­ toreinrichtungen zusammen eine Rotorkammer bilden, in welcher der Rotor drehbar eingeschlossen ist, und
Erregungseinrichtungen zum selektiven Zuführen elek­ trischer Energie zu den bifilaren Mikrospulen (22), um elektromagnetische Felder zu erzeugen, wobei die Erre­ gungseinrichtungen konzentrische Versorgungsbusse (24, 26, 28, 30) im wesentlichen in der Ebene der bifilaren Mikrospulen umfassen, wobei mindestens ein Bus jeweils einer der drei Stromphasen entspricht, und jeder Versor­ gungsbus Bogensegmente aufweist, die sich von einer bi­ filaren Mikrospule zu der nächsten Mikrospule derselben Stromphase erstrecken,
wobei das Mikrofertigungsverfahren das Abscheiden einer er­ sten galvanischen Zwischenschicht (14) auf einer Oberseite des Wafers und anschließend, im wesentlichen gleichzeitig für jeden auf dem Wafer hergestellten Mikromotor, mindestens folgende Schritte in der nachstehenden Reihenfolge umfaßt:
Abscheiden und Strukturieren einer ersten Schicht (16) fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials zum Aus­ bilden elektrischer Leitungsbrücken (18, 18A), die sich radial zwischen den bifilaren Mikrospulen und den ent­ sprechenden Versorgungsbussen erstrecken;
galvanisches Einbringen der elektrischen Leitungs­ brücken (18, 18A) in die erste Schicht (16) fotoempfindli­ chen Strukturierungsmaterials;
Abscheiden und Strukturieren einer zweiten Schicht (54) fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials zum Aus­ bilden elektrisch leitender unterer Durchkontakte (56, 58), die sich von den Leitungsbrücken (18, 18A) aus nach oben erstrecken;
galvanisches Einbringen der unteren Durchkontakte (56, 58) in die zweite Schicht (54) fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials;
Entfernen der ersten (16) und zweiten (54) Schicht fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials und der frei­ liegenden Flächen der ersten galvanischen Zwischen­ schicht (14);
Abscheiden einer ersten Epoxidschicht (62) auf der Oberseite des Substrats in ausreichender Tiefe, um die Durchkontakte zu überdecken, und dann Mikrofräsen zum Ebnen ihrer Oberseite und Freilegen der Durchkontakte (56, 58, 60);
Abscheiden einer zweiten galvanischen Zwischen­ schicht (66) auf der Oberseite der ersten Epoxidschicht (62) in elektrischem Kontakt mit den freigelegten Durch­ kontakten (56, 58, 60);
Abscheiden und Strukturieren einer dritten Schicht fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials (68) auf der zweiten galvanischen Zwischenschicht (66) zum Ausbilden der bifilaren Mikrospulen (22) und der Versorgungsbusse in Ausrichtung zu den Durchkontakten (56, 58, 60);
Entfernen der dritten Schicht (68) fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials;
Abscheiden und Strukturieren einer vierten Schicht (70) fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials in aus­ reichender Tiefe zum Überdecken der Mikrospulen und Ver­ sorgungsbusse (24, 26, 28, 30) zum Ausbilden der Statorzäh­ ne (72);
galvanisches Einbringen der Statorzähne (72) aus ma­ gnetischem Material in die vierte Schicht (70) fotoemp­ findlichen Strukturierungsmaterials;
Entfernen der vierten Schicht (70) fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials und der freigelegten Flächen der zweiten galvanischen Zwischenschicht (66);
Ausbilden einer Stator-Unteranordnung durch Abschei­ den einer zweiten Epoxidschicht (73) und dann Mikrofrä­ sen zum Ebnen ihrer Oberseite und Freilegen der bifila­ ren Mikrospulen (22), Statorzähne (72) und Versorgungs­ busse (24, 26, 28, 30);
Abscheiden einer ersten Freigabeschicht (76) über einem Mittenabschnitt der Oberseite der Stator-Un­ teranordnung, die der Unterseite der Rotorkammer ent­ spricht und mindestens die bifilaren Mikrospulen (22) und die Statorzähne (72) abdeckt;
Abscheiden einer dritten galvanischen Zwischen­ schicht (78) über der Freigabeschicht (76) und der frei­ gelegten Oberseite der Stator-Unteranordnung in elektri­ schem Kontakt mit den Versorgungsbussen (24, 26, 28, 30);
Abscheiden und Strukturieren einer fünften Schicht fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials (80) auf der dritten galvanischen Zwischenschicht (78) zum Ausbilden der Rotorpolelemente und der Rotorrastzähne in Ausrich­ tung zu den bifilaren Mikrospulen (22) bzw. Statorzähnen (72);
Entfernen der fünften Schicht (80) fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials;
Abscheiden einer sechsten Schicht (86) fotoempfind­ lichen Strukturierungsmaterials in einer Tiefe, die aus­ reicht, die Rotorpolelemente und Rotorrastzähne zu über­ decken, und Strukturieren der sechsten Schicht foto­ empfindlichen Strukturierungsmaterials zum Ausbilden un­ terer Abschnitte der Rotorwelle und elektrisch leitender oberer Durchkontakte für die Versorgungsbusse (24, 26, 28, 30);
galvanisches Einbringen der unteren Abschnitte der Rotorwelle und oberen Durchkontakte in die sechste Schicht (86) fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials;
Entfernen der sechsten Schicht (86) fotoempfindli­ chen Strukturierungsmaterials und der freigelegten Flä­ chen der dritten galvanischen Zwischenschicht (78);
Abscheiden einer siebenten Schicht (94) fotoempfind­ lichen Strukturierungsmaterials zum Ausbilden einer er­ sten vertikalen Umfangs-Freigabeschicht (96), die sich von der ersten Freigabeschicht aus an deren Außenumfang, der einer Außenumfangsseite der Rotorkammer entspricht, nach oben erstreckt;
Einbringen von Freigabematerial in die erste Um­ fangs-Freigabeschicht (96) und Mikrofräsen der siebenten Schicht (94) fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials, um ihre Oberseite zu ebnen und die Oberseiten der unte­ ren Abschnitte der Rotorwelle und der oberen Durchkon­ takte freizulegen, wobei ein Abschnitt der siebenten Schicht (94) fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials in der Ebene der Rotorpolelemente sowohl radial inner­ halb als auch radial außerhalb der Umfangs-Frei­ gabeschicht stehenbleibt;
Abscheiden und Strukturieren einer achten Schicht (98) fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials zum Auf­ wärtsverlängern der ersten Umfangs-Freigabeschicht (96) und oberer Abschnitte der Rotorwelle (92) und der Durch­ kontakte;
Einbringen von Material durch elektrodenloses Galva­ nisieren in die achte Schicht fotoempfindlichen Struk­ turierungsmaterials (98), um die oberen Abschnitte der Rotorwelle (92) und der oberen Durchkontakte nach oben zu verlängern, und Einbringen von Freigabematerial (a) in die obere Verlängerung (100) der ersten Umfangs-Frei­ gabeschicht (96), und (b) in eine zweite Freigabe­ schicht (102), die die Oberseite der achten Schicht (98) fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials zwischen der ersten Umfangs-Freigabeschicht und der Rotorwelle über­ deckt, wobei eine solche zweite Freigabeschicht der Oberseite der Rotorkammer entspricht;
Abscheiden und Strukturieren einer neunten Schicht (104) fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials, das aus einem Positiv-Fotolackmaterial besteht, um die obe­ ren Abschnitte der Rotorwelle (92) und der oberen Durch­ kontakte nach oben zu verlängern;
Verlängern der oberen Abschnitte der Rotorwelle (92) und der oberen Durchkontakte durch elektrodenloses gal­ vanisches Einbringen von Material in die neunte Schicht (104) fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials;
weiteres Strukturieren der neunten Schicht (104) fo­ toempfindlichen Strukturierungsmaterials zum Ausbilden einer zweiten vertikalen Umfangs-Freigabeschicht (106), die den verlängerten oberen Abschnitt der Rotorwelle um­ gibt, und Einbringen von Freigabematerial in die neunte Schicht fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials, um die zweite Umfangs-Freigabeschicht auszubilden;
Abscheiden und Strukturieren eines temporären Schutzfilms (108) über der neunten Schicht (104) fo­ toempfindlichen Strukturierungsmaterials, um dessen Aus­ setzung an aktinische Strahlung zu verhindern;
Abscheiden und Strukturieren einer zehnten Schicht (110) fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials, um den oberen Abschnitt der Rotorwelle (92) nach oben zu ver­ längern;
Verlängern des oberen Abschnittes der Rotorwelle (92) nach oben durch elektrodenloses Galvanisieren;
Entfernen zumindest von Abschnitten der achten (98), neunten (104) und zehnten (110) Schicht fotoempfindli­ chen Strukturierungsmaterials und des Schutzfilms (108), wobei ein Abschnitt der achten Schicht fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials als Teil des Rotorkörpers ste­ henbleibt, und zumindest Abschnitte der achten und neun­ ten Schicht fotoempfindlichen Strukturierungsmaterials in der Ebene des Rotorkörpers bzw. über dieser als ein Abschnitt des Mikromotorgehäuses stehenbleiben, und
Freigeben des Rotorkörpers (93) für die Drehung innerhalb der Rotorkammer als Reaktion auf elektromagnetische Fel­ der, die von den bifilaren Mikrospulen (22) erzeugt wer­ den, indem das Freigabematerial aus der ersten und zwei­ ten Freigabeschicht und der ersten und zweiten Umfangs-Frei­ gabeschicht (76, 96, 100, 102, 106) entfernt wird.

10. Chargenverfahren zum Mikrofertigen planarer Mikro-Schritt­ motoren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite galvanische Zwischenschicht (14, 66) jeweils ein Schichtstapel ist, der im wesentli­ chen aus einer ersten aus Chrom oder Titan ausgewählten Metallschicht auf der Oberseite des isolierenden Substratmaterials (10), einer zweiten Metallschicht aus Kupfermetall auf der ersten Schicht und einer dritten Schicht aus Chrommetall auf der zweiten Schicht besteht.

11. Chargenverfahren zum Mikrofertigen planarer Mikro-Schritt­ motoren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die bifilaren Mikrospulen (22), Leitungsbrücken (18, 18A) Versorgungsbusse (24, 26, 28, 30) und unteren Durchkontakte (56, 58, 60) aus Kupfermetall hergestellt werden.

12. Chargenverfahren zum Mikrofertigen planarer Mikro-Schritt­ motoren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die unteren Abschnitte der Ro­ torwelle (92) und die oberen Durchkontakte aus galva­ nisch aufgebrachtem Metall hergestellt werden und deren obere Abschnitte durch elektrodenloses galvanisches Me­ tallabscheiden hergestellt werden.