KR102532840B1 - 시계 컴포넌트를 제조하는 방법 및 상기 방법에 따라 제조된 컴포넌트 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 시계 컴포넌트를 제조하는 방법에 관한 것이고, 이 방법은 UV-LIGA 방법에 의해 감광성 수지로 이루어진 멀티레벨 몰드를 형성하는 단계, 및 감광성 수지의 상부 표면 상에 실질적으로 도달하는 블록을 형성하기 위하여 전도성 층으로부터 시작하는 적어도 하나의 금속 층을 갈바닉 데포짓하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 LIGA 기법에 의해 복합 멀티-레벨 금속 구조체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이 방법에 의해 획득되는 이러한 금속 구조체, 특히 시계 컴포넌트들에 관한 것이다.
위의 정의에 대응하는 방법들은 이미 알려져 있다. 특히, A. B. Frazier 등의 제목이 "Metallic Microstuctures Fabricated Using Photosensitive Polyimide Electroplating molds" 이고, 저널 Microelectromechanical systems (Vol. 2, N deg. 2, June 1993) 에 공개된 논문은 감광성 수지의 층들의 포토리소그래피에 의해 제조된 폴리이미드 몰드에서의 갈바니 성장에 의하여 멀티레벨 금속 구조체들을 제조하는 방법을 설명한다. 그 방법은 다음의 단계들:
- 기판 상에, 갈바니 성장의 후속 단계를 위한 희생 금속 층 및 프라이밍 층을 생성하는 단계,
- 감광성 폴리이미드의 층을 확산하는 단계,
- 획득될 구조체의 레벨의 윤곽에 대응하는 마스크를 통하여 UV 방사로 폴리이미드 층을 조사하는 단계,
- 폴리이미드 몰드를 획득하도록 비조사된 부분들을 용해하는 것에 의해 폴리이미드 층을 현상하는 단계,
- 갈바닉 성장에 의해 몰드를 몰드의 높이까지 니켈로 충전하고 실질적으로 평편한 상부 표면을 획득하는 단계,
- 진공 하에서의 증착에 의해 전체 상부 표면 상에 크롬의 미세층을 데포짓하는 단계,
- 크롬 층 상에, 감광성 수지의 새로운 층을 데포짓하는 단계,
- 획득될 구조체에 따라 레벨의 윤곽에 대응하는 새로운 마스크를 통하여 수지 층을 조사하는 단계,
- 새로운 몰드를 획득하도록 폴리이미드 층을 현상하는 단계,
- 갈바닉 성장에 의해 새로운 몰드를 몰드의 높이까지 니켈로 충전하는 단계,
- 희생층 및 기판으로부터 멀티-레벨 구조체 및 폴리이미드 몰드를 분리하는 단계,
- 멀티-레벨 구조체를 폴리이미드 몰드로부터 분리하는 단계를 포함한다.
설명되었던 방법은 원리적으로 두개보다 많은 레벨들을 갖는 금속 구조체들을 획득하기 위하여 반복적으로 구현될 수 있음을 이해할 것이다.
특허 문헌 WO 2010/020515A1 은 몰드에서 부분의 금속을 갈바닉 데포지션하는 단계 전에 최종 부분에 대응하는 완전한 포토레지스트 몰드를 생성하는 것에 의해 복수의 층들을 갖는 부분의 제조를 설명한다. 레벨들의 돌출부들이 서로 내부에 포함되는 멀티레벨 부분들만이 이 방법에 의해 서로 생성될 수 있다.
또한, 특허 문헌 EP2405301A1 에서 적어도 두개의 레벨들을 포함하는 포토레지스트 몰드가 유사하게 알려져 있으며, 기판에 형성되는 레벨들은 평활한 수직 측벽들만을 포함한다.
이들 방법들은 원통형인 기본 지오메트리들을 갖는 부분들의 제조만을 허용하며 복합 지오메트리들, 이를 테면, 경사면들 또는 챔퍼들을 갖는 부분들의 제조를 허용하지 않는다.
본 발명은 멀티레벨 컴포넌트들의 경우에 신뢰성있는 갈바닉 성장을 가능하게 하기 위하여 각각의 레벨에 대해 전도성 층이 수지층과 연관되는 LIGA 기술과 고온 스탬핑 단계를 결합하는 것에 의해 멀티레벨 금속 시계 컴포넌트들을 제조하는 방법을 제공함으로써 상술한 단점들 뿐만 아니라 다른 단점들을 극복하기 위한 것이다.
본 발명은 또한 LIGA 기법을 사용하여 당업자가 실현가능한 복합 지오메트리들을 갖는 시계 부품들의 제조를 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.
따라서, 본 발명은 적어도 하나의 시계 컴포넌트를 제조하기 위한 방법에 관련되며 다음 단계들:
a) 기판을 제공하고, 제 1 감광성 수지 층을 도포하는 단계;
b) 제 1 감광성 수지 층을 성형하고 시계 부품의 제 1 레벨을 정의하기 위하여, 수지 층을 유지하도록 기판으로부터 미리정의된 거리까지 스탬프를 가압하는 것에 의해, 스탬프를 사용하여, 제 1 감광성 수지 층의 고온 스탬핑을 수행하는 단계;
c) 적어도 컴포넌트의 제 1 레벨을 정의하기 위하여 성형된 제 1 감광성 수지 층을 조사하는 단계;
d) 제 1 및 제 2 레벨을 포함하는 몰드를 형성하기 위하여, 단계 c) 로부터의 결과적인 구조체를 커버하는 제 2 감광성 수지 층을 도포한 다음, 컴포넌트의 제 2 레벨을 정의하는 마스크를 통하여 제 2 감광성 수지 층을 조사하고 제 2 감광성 수지 층의 비조사된 영역들을 용해하는 단계;
e) 제 1 및 제 2 감광성 수지 층의 표면들 상에 전도성 층을 데포짓하는 단계;
f) 컴포넌트를 형성하기 위하여, 전도성 층으로부터 시작하여, 몰드에서 전기주조하는 것에 의해 금속 층을 데포짓하는 단계;
g) 컴포넌트를 릴리즈하기 위해 기판, 전도성 층 및 수지를 연속적으로 제거하는 단계를 포함한다.
이 방법은 단일의 웨이퍼 상에서 멀티레벨 부분들의 제조를 가능하게 한다.
본 발명의 다른 유익한 변형예들에 따르면:
- 단계 b) 는 진공 하에서 수행된다.
- 단계 b) 동안에, 제 1 수지 층은 70 ℃ 와 150 ℃ 사이에서 가열된다;
- 스탬프는 적어도 컴포넌트의 제 1 레벨을 정의하는 양각으로 된 임프린트를 갖는다;
- 전기 전도성 층은 모든 노출된 표면들 상에서 글로벌 데포지션에 의해 구현된다;
- 전기 전도성 층은 물리적 기상 증착에 의해 또는 잉크 또는 전도성 수지로 프린팅하는 것에 의해 데포짓된다;
- 전기 전도성 층은 Au, Ti, Pt, Ag, Cr 또는 Pd 또는 이들 재료들 중 적어도 두개의 스택이다;
- 기판은 실리콘이다;
- 스탬프는 스탬프가 기판에 대하여 가압될 때 스탬프를 통하여 제 1 수지 층을 조사하도록 투명한 재료로 형성된다;
- 전도성 층은 50 nm 와 500 nm 사이의 두께를 갖는다.
마지막으로, 본 발명은 본 발명에 따른 방법에 의해 획득된 시계 컴포넌트, 이를 테면, 예를 들어, 팔레트 또는 이스케이프먼트 휠에 관한 것이다.
본 발명의 방법은 타임피스에 대한 컴포넌트들의 제조를 위한 특히 유리한 적용을 가짐이 이해된다.
본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 본 발명에 따른 방법의 예시의 실시형태의 상세한 설명으로부터 보다 명확하게 나타날 것이며, 이 예는 첨부된 도면과 결합하여 수순하게 예시로서 그리고 제한을 두지 않고 주어진다:
- 도 1 내지 도 8 은 시계 컴포넌트를 제조하기 위한 관점에서 본 발명의 일 실시형태의 방법 단계들을 예시한다.
- 도 1 내지 도 8 은 시계 컴포넌트를 제조하기 위한 관점에서 본 발명의 일 실시형태의 방법 단계들을 예시한다.
본 발명에 따른 방법의 단계 a) 에 사용된 기판 (1) 은 예를 들어, 실리콘 기판에 의해 형성된다. 방법의 제 1 단계 a) 동안에, 감광성 수지 층이 기판 상에 데포짓된다. 이 방법에 사용된 감광성 수지 (3) 는 바람직하게 UV 방사의 작용 하에서 중합화하도록 설계되는 레퍼런스 SU-8 하에서 이용가능한 옥토관능성 에폭시계 네가티브 수지이다.
본 발명의 특정 실시형태에 따르면, 수지는 드라이 필름의 형태를 취하며, 따라서 수지는 기판 (1) 에 대해 라미네이션에 의해 제공된다.
대안적으로, 감광성 수지는 UV 방사의 작용 하에서 용해하도록 설계된 포지티브 포토레지스트일 수 있다. 본 발명은 어떠한 특정 유형의 감광성 수지로 제한되지 않는 것으로 이해된다. 당해 기술 분야의 당업자는 UV 포토리소그래피에 적합하게 되는 모든 알려진 수지들 중에서 이들의 필요들에 적절한 감광성 수지를 선택하는 방법을 알 것이다.
제 1 수지 층 (3) 은 임의의 적절한 수단에 의해, 원심분리 코팅에 의해, 스피닝에 의해, 또는 원하는 두께로 균일하게 스프레이하는 것에 의해 기판 (1) 상에 데포짓된다. 통상적으로, 수지 두께는 10 ㎛ 와 1000 ㎛ 사이, 바람직하게 50 ㎛ 와 300 ㎛ 사이이다. 원하는 두께 및 사용된 데포지션 기법에 따라, 수지 층 (3) 은 하나 또는 두개의 단계들에서 데포짓된다.
제 1 수지 층 (3) 은 그 다음, 용매를 제거하기 위해 데포짓된 두께에 의존하는 지속기간 동안 90 와 120 ℃ 사이로 가열된다 (프리베이크 단계). 이 가열은 수지를 건조하여 경화시킨다.
도 2 에 예시된 후속 단계 b) 는 시계 컴포넌트의 제 1 레벨을 성형하고 정의하기 위해 제 1 수지 층 (3) 의 고온 스탬핑을 수행하는 것으로 구성된다. 수지는 먼저 70 ℃ 와 150 ℃ 사이의 온도로 가열되며, 이 온도에서 수지는, 수지를 가압하는 스탬프 (2) 를 사용하여 수지를 압착하는 것에 의해 그 성형을 가능하도록 점성이 되게 된다. 이 단계는 수지 층 (3) 의 가압 동안에 기포의 형성을 방지하도록 진공 상태 하에서 수행된다. 본 발명에 따르면, 스탬프 (2) 는 기판 (1) 상의 수지의 층을 유지하도록 하는 방식으로 기판 (1) 으로부터 미리정의된 거리로 가압된다.
유리하게, 스탬프 (2) 는 양각으로 된 임프린트를 가지며, 이는 높이에서 편차들을 가질 수도 있어 적어도 컴포넌트의 제 1 레벨을 정의하며, 상기 적어도 제 1 레벨은 따라서, 통상의 LIGA 프로세스를 통하여 획득하는 것을 불가능하게 하는 복합 3차원 지오메트리를 갖는다.
또한, 획득될 컴포넌트의 완전한 지오메트리를 생성하기 위하여 스탬프에 의해 둘 이상의 레벨들을 형성하는 것이 고려될 수도 있다.
도 3 에 예시된 후속 단계 c) 는 형성될 컴포넌트의 제 1 레벨을 정의하고, 따라서, 광중합화 영역들 (3a) 을 형성하기 위하여 UV 방사에 의해 제 1 수지 층 (3) 을 조사하는 것으로 구성된다.
유리한 실시형태에 따르면, 스탬프 (2) 는 투명성 재료, 이를 테면, 보로실리케이트 유리로 이루어진다. 스탬프가 기판 (1) 에 대해 가압될 때, 투명성 재료로 이루어진 이러한 스탬프 (2) 는 스탬프 (2) 를 통하여 직접 제 1 수지 층 (3) 을 조사하는 것을 가능하게 하고, 수지층과 접촉하여, 수지층의 조사는 주변 온도 또는 고온에서 수행가능하다.
제 1 수지 층 (3) 의 어닐링 단계 (포스트-베이크 단계) 는 UV 방사에 의해 유도되는 광중합화를 완료하기 위하여 필수적일 수도 있다. 이 어닐링 단계는 바람직하게 90 ℃ 와 95 ℃ 사이에서 수행된다. 광중합화된 영역 (3a) 은 대부분의 용매들에 대해 감광성으로 된다. 이와 대조적으로, 광중합화된 영역들은 후속하여 용매에 의해 용해될 수 있다.
도 6 에 예시된 후속 단계 d) 는 선행 단계 c) 로부터 생성된 구조체를 커버하는 제 2 감광성 수지 (6) 를 데포짓하는 것으로 구성된다. 이 단계 동안에 동일한 수지가 사용되며, 두께는 단계 a) 에서 데포짓되는 두께보다 더 크다. 일반적으로, 두께는 획득하기를 원하는 컴포넌트의 지오메트리에 따라 변한다.
다음 단계는 컴포넌트의 제 2 레벨을 정의하는 마스크를 통하여 제 2 수지 층 (6) 을 조사하고 제 2 감광성 수지 층 (6) 의 비조사된 영역들을 용해하는 것으로 구성된다. 이 단계의 종료시 (도 6), 광중합화된 영역들 (3a 및 6a) 에 의해 형성되는 제 1 레벨 및 제 2 레벨을 포함하는 몰드가 획득된다.
비-광중합화된 영역들의 용해는 적절한 용매, 이를 테면 PGMEA (프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트) 를 사용하여 수행된다. 컴포넌트의 제 1 레벨 및 제 2 레벨을 정의하는 광중합화된 감광성 수지 (3a, 6a) 로 이루어진 몰드가 이에 따라 단계 4 의 종료시 획득된다.
단계 e) 는 예를 들어, 물리적 기상 증착 (PVD) 에 의해 전도성 층 (4), 즉, 갈바닉 수단에 의한 금속 데포지션을 시작가능한 층을 데포짓하는 것으로 구성된다. 통상적으로, 전기 전도성 층 (4) 은 Au, Ti, Pt, Ag, Cr 또는 Pd 또는 이들 재료들 중 적어도 두개의 스택이며, 50 nm 와 500 nm 사이의 두께를 갖는다. 예를 들어, 전도성 층 (4) 은 금 또는 구리의 층으로 커버되는 크롬 또는 티타늄의 서브층으로 형성될 수 있다. 본 발명에 따르면, 전기 전도성 층 (4) 은 포함된 모든 노출된 표면들 상에서 글로벌 데포지션에 의해 구현된다.
당해 기술 분야의 당업자는 유사하게, 전도성 층 (4) 을 데포짓하기 위하여 3D 프린팅을 구현하는 것을 고려한다.
도 7 에 예시된 후속 단계 f) 는 형성된 몰드에서, 전기 주조 또는 갈바닉 데포지션에 의해 원하는 두께가 획득될 때까지 전기 전도성 층 (4) 으로부터 시작하는 금속 층 (7) 을 데포짓하는 것으로 구성된다. 작은 두께가 요구되는 경우에, 성장은 비교적 짧으며, 이는 중공형 컴포넌트들이 획득되는 것을 허용한다.
이 문맥에서 금속은 물론 또한 금속 합금들을 포함한다. 통상적으로, 금속은 니켈, 구리, 금 또는 은 및 합급으로서, 구리-금, 니켈-코발트, 니켈-철, 니켈-포스포러스, 또는 니켈-텅스텐을 포함하는 세트로부터 선택된다. 일반적으로 다층 금속 구조체는 전반적으로 동일한 합금 또는 금속으로 형성된다. 그러나, 상이한 특성의 적어도 두개의 층들을 포함하는 금속 구조체를 획득하기 위해 갈바닉 데포지션 단계 동안에 금속 또는 합금을 변경하는 것을 가능하게 한다.
전기 주조 조건들, 특히, 배스의 조성, 시스템 지오메트리, 전압 및 전류 밀도는 전기주조의 당해 기술 분야에 잘 알려진 기법들에 따라 각각의 금속 또는 합금이 전착되도록 선택된다.
단계 g) 는 컴포넌트의 높이를 조정하고 필요에 따라 상이한 부분들로 분리하도록 기계적 방법에 의해 금속 층 (7) 을 머시닝하는 것으로 구성된다 (갈바닉 성장이 어디서나 시작하기 때문에, 동일한 지지체 상에 위치되는 모든 부분들이 서로 접속된다).
마지막 단계는 연속하는 웨트 또는 드라이 에칭 단계에 의해 기판, 전도성 층들 또는 수지 층들을 제거하는 것에 의해 컴포넌트를 릴리즈하는 것으로구성되며, 이들 동작들은 당해 기술 분야의 당업자에게 친숙하다. 예를 들어, 전도성 층 (2) 및 기판 (1) 은 웨트 에칭에 의해 제거되며 이는 컴포넌트에 손상을 주지 않고 기판 (1) 으로부터 컴포넌트가 릴리즈되는 것을 허용한다. 특히, 실리콘으로 이루어진 기판은 수산화칼륨 용액 (KOH) 을 사용하여 에칭될 수 있다.
이 제 1 시퀀스의 종료시, 수지 층들에 포착된 컴포넌트가 획득된다. 제 2 시퀀스는 중간 금속성 층들의 웨트 에칭에 의해 분산되는, O2 플라즈마 에치에 의해 제 1 수지 층 (3) 및 제 2 수지 층 (6) 을 제거하는 것으로 구성된다.
이 단계의 종료시, 획득된 컴포넌트들은 클리닝될 수 있고, 가능하다면, 머시닝 또는 심미적 마무리를 수행하기 위하여 머신 툴이 가해질 수 있다. 이 단계에서, 부분들은 직접 사용되거나 또는 여러 장식적 및/또는 기능적 처리, 통상적으로 물리적 또는 화학적 데포지션들을 겪을 수 있다.
본 발명의 방법은 타임피스에 대한 컴포넌트들, 이를 테면, 스프링, 팔레트, 휠, 아플리퀴 등의 제조시에 특히 유리한 적용을 갖는다. 이 방법을 통하여, 통상의 포토리소그래피 동작들을 통하여 획득되었던 것보다 더 복합적인 지오메트리를 갖고 매우 다양한 형상들을 갖는 컴포넌트를 형성하는 것을 가능하게 한다. 이러한 방법은 또한, 비교적 가볍고 견고하며, 지오메트리의 관점에서 양호한 신뢰성을 갖는 "쉘"형 컴포넌트들을 획득하는 것을 가능하게 한다.
Claims (11)
- 적어도 하나의 시계 컴포넌트의 제조 방법으로서,
하기 단계들:
a) 기판 (1) 을 제공하고, 제 1 감광성 수지 층 (3) 을 도포하는 단계;
b) 상기 제 1 감광성 수지 층 (3) 을 성형하기 위하여, 상기 제 1 감광성 수지 층을 유지하도록 상기 기판 (1) 으로부터 미리정의된 거리까지 스탬프 (2) 를 가압하는 것에 의해, 상기 스탬프 (2) 를 사용하여, 상기 제 1 감광성 수지 층 (3) 의 고온 스탬핑을 수행하는 단계;
c) 상기 컴포넌트의 제 1 레벨을 정의하기 위하여, 성형된 상기 제 1 감광성 수지 층 (3) 을 UV 조사하는 단계;
d) 단계 c) 로부터의 결과적인 구조체를 커버하는 제 2 감광성 수지 층 (6) 을 도포한 다음, 제 1 레벨 및 제 2 레벨을 포함하는 몰드를 형성하기 위하여 컴포넌트의 제 2 레벨을 정의하는 마스크를 통하여 상기 제 2 감광성 수지 층 (6) 을 UV 조사하고 상기 제 2 감광성 수지 층 (6) 의 상기 UV 조사를 하고 있지 않은 비조사된 영역들을 용해하는 단계;
e) 상기 제 1 감광성 수지 층 및 상기 제 2 감광성 수지 층의 표면들 상에 전기 전도성 층 (4) 을 데포짓하는 단계;
f) 상기 컴포넌트를 형성하기 위하여, 상기 전기 전도성 층 (4) 으로부터 시작하는 금속 층 (7) 을 상기 몰드에서 전기주조하는 것에 의해 데포짓하는 단계;
g) 상기 컴포넌트의 높이를 조정하도록 기계적 방법에 의해 상기 금속 층 (7) 을 머시닝하고 상기 컴포넌트를 릴리즈하는 단계를 포함하는, 적어도 하나의 시계 컴포넌트의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
단계 b) 는 진공 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 시계 컴포넌트의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
단계 b) 동안에, 상기 제 1 감광성 수지 층은 70 ℃ 와 150 ℃ 사이로 가열되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 시계 컴포넌트의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 스탬프는 상기 컴포넌트의 제 1 레벨을 정의하기 위하여 양각으로 된 임프린트를 갖는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 시계 컴포넌트의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
단계 e) 동안에, 상기 전기 전도성 층 (4) 은 모든 노출된 표면들 상에서 글로벌 데포지션에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 시계 컴포넌트의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
단계 e) 동안에, 상기 전기 전도성 층 (4) 은 물리적 기상 증착에 의해 또는 잉크 또는 전도성 수지로 프린팅하는 것에 의해 데포짓되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 시계 컴포넌트의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 전기 전도성 층 (4) 은 Au, Ti, Pt, Ag, Cr 또는 Pd 인 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 시계 컴포넌트의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판 (1) 은 실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 시계 컴포넌트의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 스탬프 (2) 는 상기 스탬프가 상기 기판 (1) 에 대하여 가압될 때 상기 스탬프 (2) 를 통하여 상기 제 1 감광성 수지 층 (3) 을 UV 조사하도록 투명한 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 시계 컴포넌트의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 전기 전도성 층 (4) 은 50 nm 와 500 nm 사이의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 시계 컴포넌트의 제조 방법. - 제 1 항에 따른 방법에 의해 획득되는, 시계 컴포넌트.
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |