JP2021095631A - 計時部品を製造するための方法およびこの方法によって得られる部品 - Google Patents

計時部品を製造するための方法およびこの方法によって得られる部品 Download PDF

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Abstract

【課題】計時用の多段金属部品を製造する方法において、ホットスタンピングをＬＩＧＡ技術と組み合わせることにより、従来のＬＩＧＡ技術では実現不可能である複雑なジオメトリを有する多段金属部品の精密な製造を可能とする。【解決手段】本発明は、計時用の金属部品を製造する方法に関し、この方法は、ＬＩＧＡ−ＵＶタイプの方法によって多段の感光性樹脂モールドを形成するステップと、感光性樹脂の上面に概ね達するブロックを形成するために、少なくとも２つの導電層を用いて少なくとも１種類の金属の層をガルバニックに堆積させるステップと、を含むことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＩＧＡ技術によって複雑な多段金属構造体を製造する方法に関する。本発明は、さらに、この方法によって得られる、かかる金属構造体である特に計時部品に関するものである。
上記の規定に相当する方法は既に知られている。特に、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ（Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．２，１９９３年６月）に掲載された、Ａ．Ｂ．Ｆｒａｚｉｅｒ等による「Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ Ｕｓｉｎｇ Ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ ｍｏｌｄｓ」と題する論文は、感光性樹脂層のフォトリソグラフィによって生成されるポリイミドモールド内でのガルバニック成長により、多段金属構造体を製造する方法について記載している。この方法は、以下のステップを含む。
− 後のガルバニック成長ステップのために、基板上に犠牲金属層および下地層を生成するステップ、
− 感光性ポリイミド層を塗布するステップ、
− 得るべき構造体の一段の輪郭に対応したマスクを通して、ポリイミド層を紫外線で露光するステップ、
− ポリイミドモールドを得るために、未露光部分を溶解させることにより、ポリイミド層を現像するステップ、
− ガルバニック成長により、モールドにその高さまでニッケルを充填して、略平坦な上面を得るステップ、
− 真空蒸着により、上面全体にクロム薄層を堆積させるステップ、
− クロム層の上に、新たな感光性樹脂層を堆積させるステップ、
− 得るべき構造体の次の段の輪郭に対応した新たなマスクを通して、樹脂層を露光するステップ、
− 新たなモールドを得るために、ポリイミド層を現像するステップ、
− ガルバニック成長により、新たなモールドにその高さまでニッケルを充填するステップ、
− 多段構造体およびポリイミドモールドを、犠牲層および基板から分離するステップ、
− 多段構造体をポリイミドモールドから分離するステップ。
上記の方法は、原理的には、３層以上の金属構造体を得るために反復的に実施できることは理解されるであろう。
特許文献１は、得るべき最終部品に対応した完全なフォトレジストモールドを、モールド内への部品の金属のガルバニック堆積ステップよりも前に形成することによる、多段部品の製造について記載している。この方法を用いて、段の突起が相互に入り込んだ多段部品のみを製造することができる。
また、特許文献２では、少なくとも２段のフォトレジストモールドが知られており、基板に形成される段は、垂直かつ平滑なフランクを有するもののみである。
これらの方法では、基本的なジオメトリが円柱状である部品の製造のみが可能であり、ベベル状またはチャンファ状のような複雑なジオメトリを有する部品の製造は不可能である。
国際公開第２０１０／０２０５１５号 欧州特許出願公開第２４０５３０１号明細書
本発明の目的は、ホットスタンピングステップをＬＩＧＡ技術と組み合わせることにより、計時用の多段金属部品を製造する方法を提供することによって、上記の欠点ならびに他の欠点を解消することであり、多段部品の場合に信頼性の高いガルバニック成長を可能とするように、各段において導電層が樹脂層に結び付けられる。
本発明の目的は、さらに、ＬＩＧＡ技術によって通常は実現不可能である複雑なジオメトリを有する計時器の製造を、可能とすることである。
この目的のため、本発明は、計時部品を製造する方法に関し、この方法は、以下のステップを含む。
ａ）基板を準備して、その上に第１の導電層を堆積させるとともに、第１の感光性樹脂層を塗布するステップ、
ｂ）第１の樹脂層を成形するとともに計時部品の第１段を画定するために、樹脂層を保持するようにバッファを基板から予め規定された距離までプレスすることにより、バッファを介して第１の樹脂層のホットスタンピングを実施するステップ、
ｃ）成形された第１の樹脂層を、部品の第１段を画定するマスクを通して露光し、さらに、第１の導電層を所々で露出させて、第１段および第２段を含むモールドを形成するために、感光性樹脂層の未露光ゾーンを溶解させるステップ、
ｄ）部品を形成するために、モールド内で第１の導電層から電鋳することにより、第２の感光性樹脂層の上面に概ね達する金属層を堆積させるステップ、および、
ｅ）部品を解放するために、基板、第１の導電層、および樹脂を次々に外すステップ。
従って、この方法により、多段部品の製造が可能となる。
本発明のさらなる効果的な代替実施形態によれば、
− ステップｂ）は真空中で実施する；
− ステップｂ）では、樹脂層を７０℃〜１５０℃の間で加熱する；
− バッファは凸型インプリントを有し、インプリントの少なくとも一部は、ステップｂ）において、基板の表面に近接してプレスされるように構成されている；
− バッファのインプリントは、部品の少なくとも第１段を画定する；
− 本方法は、樹脂層の露光ゾーンに第２の導電層を局所的に堆積させることからなるオプションのステップを、ステップｃ）とｄ）の間に含む；
− 第２の導電層は、ステンシルマスクを通して堆積させる；
− 第２の導電層は、インクまたは導電性樹脂の印刷によって堆積させる；
− その導電層は、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｐｄ系のもの、またはこれらの材料のうちの少なくとも２つのスタックである；
− 基板はシリコンで構成されている；
− 基板は透明材料で構成されている；
− 透明材料で構成された基板は、その面の１つに、マスクを形成するためにメタライズされたゾーンを含む；
− 導電層は、５０ｎｍ〜５００ｎｍの間の厚さを有する。
最後に、本発明は、例えば、アンクルアセンブリまたはガンギ車のような、本発明による方法により得られる計時部品に関する。
従って、本発明による方法は、計時器用部品の製造に特に効果的な応用を見出すものと理解される。
本発明のさらなる特徴および効果は、添付の図面を参照して、単なる非限定的な例として提示される本発明による方法の例示的な実施形態についての以下の詳細な説明から、より明らかになるであろう。
図１は、計時部品を製造することを目的とした、本発明の一実施形態の方法ステップを示している。 図２は、計時部品を製造することを目的とした、本発明の一実施形態の方法ステップを示している。 図３は、計時部品を製造することを目的とした、本発明の一実施形態の方法ステップを示している。 図４は、計時部品を製造することを目的とした、本発明の一実施形態の方法ステップを示している。 図５は、計時部品を製造することを目的とした、本発明の一実施形態の方法ステップを示している。 図６は、計時部品を製造することを目的とした、本発明の一実施形態の方法ステップを示している。
本発明は、少なくとも１つの計時部品を製造する方法に関するものである。
第１のステップａ）は、基板１を準備して、その上に導電層２と感光性樹脂層３を次々に堆積させることからなる。
本発明による方法のステップａ）で使用する基板１は、例えば、シリコン基板で形成される。この方法の第１のステップａ）では、導電層２、すなわち、ガルバニック金属堆積を開始させることが可能な層を、例えば物理気相成長（ＰＶＤ）によって堆積させる。典型的には、導電層２は、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｒ、もしくはＰｄ系のもの（図１）、またはこれらの材料のうちの少なくとも２つのスタックであり、５０ｎｍ〜５００ｎｍの間の厚さを有する。例えば、導電層２は、金または銅の層で被覆されたクロムまたはチタンのサブ層で形成することができる。
この方法で用いる感光性樹脂３は、好ましくは、紫外線の作用で重合するように設計された参照記号ＳＵ−８で入手可能な８官能性のエポキシ系ネガ型樹脂である。
本発明の具体的な一実施形態によれば、樹脂は、ドライフィルムの形態を呈し、この場合、樹脂は、基板１上にロールオンすることにより塗布される。
あるいは、感光性樹脂は、紫外線の作用で分解するように設計されたポジ型フォトレジストとすることができる。なお、本発明は、何らかの特定のタイプの感光性樹脂に限定されないことは理解されるであろう。当業者であれば、紫外線フォトリソグラフィに適合したあらゆる周知の樹脂から、自身の要求に適した感光性樹脂をいかに選択すべきか分かるであろう。
樹脂層３は、任意の適切な手段によって、遠心コーティング、スピンコーティング、または吹き付けによって、所望の厚さまで、基板１上に堆積させる。典型的には、樹脂の厚さは、１０μｍ〜１０００μｍの間であり、好ましくは５０μｍ〜３００μｍの間である。所望の厚さおよび用いる堆積法に応じて、第１の樹脂層３は、１回以上のパスで堆積される。
次に、溶媒を除去するために、樹脂層３を、典型的には、９０〜１２０℃の間で、堆積された厚さに依存する時間にわたって加熱する（プリベークステップ）。この加熱によって、樹脂は、乾燥および硬化する。
図２に示す次のステップｂ）は、第１の樹脂層を成形するとともに計時部品の第１段を画定するために、第１の樹脂層３のホットスタンピングを実施することからなる。第１のフェーズでは、樹脂を７０℃〜１５０℃の間の温度に加熱し、この場合、樹脂は、これにバッファ５を押し当てることにより圧縮して、その成形が可能となるように粘性となる。このステップは、樹脂層３をプレスする際の気泡の形成を防ぐために、真空中で実施する。本発明によれば、基板１上に樹脂層を保持するように、バッファ５を、基板１から予め規定された距離までプレスすることができる。
効果的には、バッファ５は、様々な高さのバリエーションを呈することができる凸型インプリントを有し、これにより、部品の少なくとも第１段を画定することが可能となり、この少なくとも第１段は、この場合、従来のＬＩＧＡ法では得ることができない複雑な３次元ジオメトリを有する。
また、得るべき部品の完全なジオメトリを生成するために、バッファによって２段以上を形成することも想定できる。
図３に示す次のステップｃ）は、形成すべき部品の第１段すなわち光重合ゾーン３ａおよび未光重合ゾーン３ｂを画定するマスク４を通して、第１の樹脂層３を紫外線によって露光することからなる。
紫外線露光によって誘起される光重合を終えるために、樹脂層３のアニールステップ（ポストベークステップ）が必要となることがある。このアニールステップは、好ましくは、９０℃〜９５℃の間で実施される。光重合ゾーン３ａは、大部分の溶媒に対して反応しなくなる。一方、未光重合ゾーンは、後に溶媒によって溶解させることが可能である。
次に、図４のように基板１の導電層２を所々で露出させるために、感光性樹脂層３の未光重合ゾーン３ｂを溶解させる。この工程は、ＰＧＭＥＡ（プロピレングリコールメチルエチルアセテート）のような適切な溶媒によって、未光重合ゾーン３ｂを溶解させることにより実施する。このようにして、部品の第１段および第２段を画定する光重合感光性樹脂モールド３ａを生成する。
本発明の効果的な一実施形態によれば、基板１は、基板の裏面を通して樹脂を露光することができるように、透明材料で構成される。
ホウケイ酸ガラス（Ｐｙｒｅｘ（登録商標））、または１５０℃までの加熱に耐える他のいずれかの材料のような、透明基板を使用することができる。基板は、錫ドープ酸化インジウム（酸化インジウム錫、ＩＴＯ）で形成された第１の透明導電層と、樹脂層において開口したゾーンと垂直方向にアラインされた、例えばチタン金合金（ＴｉＡｕ）で構成された金属パターンと、を含む。ＩＴＯ層は、重合すべきゾーンを重合させるための光を他面側に透過させつつ、表面全体の導電性を確保することにより、開口と垂直方向にアラインされたチタン金合金で構成された金属パターンをつなぐように機能する。
図５に示す次のステップｄ）は、電鋳またはガルバニック堆積の場合、その後の機械加工時に優れた機械的強度を実現する、モールドの高さよりも低い高さに選択的に達するブロックが形成されるまで、導電層２から金属層６をモールド内に堆積させることからなる。この文脈における金属という用語は、明らかに金属合金を含む。典型的には、金属は、ニッケル、銅、金、または銀、および合金として、金−銅、ニッケル−コバルト、ニッケル−鉄、ニッケル−リン、またはニッケル−タングステン、を含む群から選択される。概して、多層金属構造体は、全体が同じ合金または金属で構成される。しかしながら、異なるタイプの少なくとも２つの層を含む金属構造体を得るために、ガルバニック堆積ステップでは、金属または合金を変更することも可能である。
電鋳条件である特に浴組成、システムのジオメトリ、電圧および電流密度は、電鋳の分野で周知の技術によって電着させるべき金属または合金ごとに、選択される。
金属層７は、製造されるべき部品の厚さによって予め規定された厚さを得るために、機械的方法を用いて機械加工することができる。
ステップｃ）とｄ）の間に実施されるオプションのステップにより、ホットスタンピングによって成形されたいくつかの光重合ゾーン３ａに、第２の導電層を局所的に堆積させる。この第２の導電層は、第１の導電層２と同じ特性を有することができる。
第１の代替実施形態によれば、光学アライメントによって位置決めされるステンシルマスクを使用する。そのような装置によって、マスクと基板上の光重合ゾーン３ａのジオメトリとの適切なアライメントを確保することが可能となり、これにより、マスクが可能な限り基板１に近接して維持されるので、選択された光重合ゾーン３ａの上面のみへの堆積を確保することが可能となる。
さらなる代替実施形態によれば、第２の導電層は、第２の導電層を堆積させるための３Ｄ印刷によって実現される。
このようなソリューションによって、第２の導電層の選択的かつより精密な堆積が可能となることで、ステップｄ）でのガルバニック成長をより良好に制御する助けとなる。
図６に示すステップｅ）は、一連のウェットエッチングステップまたはドライエッチングステップによって、基板、導電層、または樹脂層を外すことにより、部品を解放することからなり、当業者にはよく知られた工程である。例えば、ウェットエッチングによって第１の導電層２および基板１を外し、これにより、部品を損傷することなく基板１から解放することが可能となる。当然のことながら、シリコン基板は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）系溶液でエッチングすることができる。
この第１の手順の後には、樹脂層に嵌め込まれた部品が得られ、導電層２は所々に依然として残っている。
第２の手順は、Ｏ2プラズマエッチング工程によって樹脂層３を外すことからなり、中間金属層のウェットエッチング工程が時々挟み込まれる。
このステップに続いて、得られた部品を洗浄することができ、さらにオプションとして、機械加工工程または化粧仕上げを実施するために、工作機械で再加工することができる。この段階で、部品は、直接使用することができ、または、典型的には物理的堆積もしくは化学的堆積である様々な装飾処理および／もしくは機能的処理を施すことができる。
本発明による方法は、バネ、アンクルアセンブリ、歯車、アップリケなどのような、計時器用の部品の製造に特に効果的に応用される。この方法によって、従来のフォトリソグラフィ工程によって得られるものよりも、多様な形状および複雑なジオメトリの部品を製造することが可能である。また、このような方法によって、ジオメトリに関して良好な信頼性を示す頑強な部品を得ることも可能である。
１ 基板
２ 導電層
３ 感光性樹脂層
３ａ 露光ゾーン（光重合ゾーン）
３ｂ 未露光ゾーン（未光重合ゾーン）
４ マスク
５ バッファ
６ 金属層

Claims (14)

  1. 少なくとも１つの計時部品を製造する方法であって、
    ａ）基板（１）を準備して、その上に第１の導電層（２）を堆積させるとともに、感光性樹脂層（３）を塗布するステップと、
    ｂ）前記樹脂層（３）を成形するとともに前記部品の第１段を形成するために、樹脂層を保持するようにバッファ（５）を前記基板（１）から予め規定された距離までプレスすることにより、前記バッファ（５）を介して前記第１の樹脂層（３）のホットスタンピングを実施するステップと、
    ｃ）成形された前記樹脂層（３）を、前記部品の少なくとも第１段を画定するマスク（４）を通して露光し、さらに、前記第１の導電層（２）を所々で露出させて、第１段および第２段を含むモールドを形成するために、前記感光性樹脂層（３）の未露光ゾーン（３ｂ）を溶解させるステップと、
    ｄ）前記部品を形成するために、前記モールド内で前記第１の導電層（２）から電鋳することにより、第２の感光性樹脂層（３）の上面に概ね達する金属層（６）を堆積させるステップと、
    ｅ）前記部品を解放するために、前記基板、前記第１の導電層、および前記樹脂を次々に外すステップと、を含む方法。
  2. 前記ステップｂ）は、真空中で実施されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 前記ステップｂ）では、前記樹脂層（３）を７０℃〜１５０℃の間で加熱することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記バッファ（５）は凸型インプリントを有し、前記インプリントの少なくとも一部は、前記ステップｂ）において、前記基板の表面に近接してプレスされるように構成されている、ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記バッファ（５）の前記インプリントは、前記部品の少なくとも第１段を画定することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
  6. 当該方法は、前記樹脂層（３）の露光ゾーン（３ａ）に第２の導電層を局所的に堆積させることからなるオプションのステップを、前記ステップｃ）とｄ）の間に含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記第２の導電層は、ステンシルマスクを通して堆積させることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
  8. 前記第２の導電層は、インクまたは導電性樹脂の印刷によって堆積させることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
  9. 前記導電層（２）は、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｐｄ系のものであることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記基板（１）は、シリコンで構成されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記基板（１）は、透明材料で構成されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. 透明材料で構成された前記基板（１）は、透明導電層と、その面の１つにマスクを形成するためにメタライズされたゾーンと、を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記導電層（２）は、５０ｎｍ〜５００ｎｍの間の厚さを有することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法による、計時部品。
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