TWI507814B - 以紫外線微模鑄造（ｌｉｇａ－ｕｖ）技術製造多層金屬部件的方法 - Google Patents

Description

以紫外線微模鑄造(LIGA-UV)技術製造多層金屬部件的方法

本發明係有關於用UV光微影成像及電流沉積技術來製造多層金屬結構的方法。

上文所述的方法是已知的。詳言之，由A. B. Frazier等人在Journal of Microelectromechnical Systems(Vol. 2,N deg. 2,June 1993)所發表之名稱為“Metallic Microstructures Fabricated Using Photosenstive Polyimide Electroplating Molds”的文章中描述了一種藉由在由光敏樹脂層的光微影成像製成之聚醯亞胺模子中的電流生長來製造多層金屬結構的方法。該方法包括以下的步驟：產生一犧牲金屬層及一打底層(priming layer)於一基材上以供後續電流生長之用，攤開一光敏的聚醯亞胺層，透過一光罩用UV輻射來照射該聚醯亞胺層，該光罩與將被形成的結構的一個層的輪廓相符，藉由將未被照射的部分溶解來將該聚醯亞胺層顯影，以獲得一聚醯亞胺模子，藉由電流生長用鎳將該模子填滿至該模子的高度，並獲得一大致平坦的頂面，藉由真空濺鍍來沉積一薄的鉻層於整個頂面上，沉積一新的光敏樹脂於該鉻層上，透過一新光罩來照射該樹脂層，該新的光罩與該結構之將被形成的下一層的輪廓相符，將該聚醯亞胺層顯影用以獲得一新的模子，藉由電流生長用鎳來填滿該模子至該模子的高度，將該多層結構與該聚醯亞胺模子與該犧牲層及該基材分離，將該多層結構與該聚醯亞胺模子分離。

很明顯地，剛剛所描述的方法理論上可被重復地實施以獲得多於兩層之金屬結構。此方法的一項缺點為在每一電流沉積步驟期間都必需獲得一大致平坦的頂面。此問題的一個解局方案在歐洲專利第EP 1,835,050號中被討論，該專利教導了可在金屬沉積步驟之後藉由在當場機械加工該金屬結構及該模子來獲得該所想要的平坦頂面。然而，在一無塵室內有一機械加工設施所產生的潛在問題會比它所解決的問題多。或者，該解決方案包含在一機械加工設施與該無塵室之間來回運輸，但這亦與光微影成像及電流沉積所需要的潔淨度不相容。

歐洲專利EP 0,851,295號揭露另一種用UV光微影成像來在模子中製造多層金屬結構的方法。此第二種方法包含下面的步驟：a)產生一犧牲層於一基材上，b)攤開一光敏環氧樹脂層其具有一介於150至700微米的厚度，c)在一介於90度至95度的溫度下預烘烤該層，且持續的時間與被沉積的厚度有關，d)透過一光罩用UV輻射來照射該樹脂層，該光罩與將被形成的結構的一個層的輪廓相符，e)後期烘烤該層以造成聚合，f)重復步驟b)到e)至少一次，且如果有需要的話，依據所想要建構之新光阻層的輪廓，在步驟d)使用不同的光罩，g)藉由將未被照射的部分溶解來將重疊的樹脂層顯影，用以獲得一環氧樹脂模子，ii)藉由電流沉積形成一打底金屬於該模子的整個表面上，然後完全地覆蓋該模子用以形成該多層金屬結構，h)將該基材與該環氧樹脂模子及該金屬結構所形成的組件分離，iii)將該多層結構與該樹脂模子分離。

此第二種方法的一項好處為，該樹脂模子完全是在該電流沉積步驟之前製造的。因此該多層金屬結構的任何機械加工都是可在之後於無塵室外實施，沒有任何污染無塵室的風險。然而，此第二種方法亦具有一些缺點。詳言之，該重疊的樹脂層再同一步驟中被顯影。在這些條件下，該第二光阻層的預烘烤步驟亦構成該第一層的後期烘烤。因此很難以一較佳方式來修改烘烤溫度及持續的時間。

因此，本發明的一個目的是要提供一種用UV光微影成像及電流沉積技術來製造多層金屬結構的方法，該方法可克服先前技術的上述缺點。本發明係藉由提供一種用UV光微影成像及電流沉積技術來製造一多層金屬微結構的方法，其特徵在於它包含的步驟為：a)提供一具有導電表面的基材；b)用一光敏樹脂的第一層來覆蓋該基材的導電表面；c)經由一與所想要的圖案凹穴相符的第一光罩來照射該光敏樹脂的第一層；d)將該光敏樹脂的第一層顯影用以在該光敏樹脂的第一層內挖出中空孔洞並獲得一樹脂模子的第一層，在該第一樹脂層中該孔洞露出該基材的導電表面；e)沉積一新的光敏樹脂層於該經過顯影的樹脂層上用以覆蓋該樹脂層，且較佳地填滿在該樹脂層內的孔洞；f)經由一與所想要的圖案凹穴相符的第二光罩來照射該新的光敏樹脂層；g)將該新的光敏樹脂層顯影用以在該新的光敏樹脂層內挖出中空孔洞並獲得一多層樹脂模子，在該多層樹脂模子中該孔洞露出該基材的導電表面；h)直接跳至步驟i)，或如果有需要的話，首先重復此方法的步驟e)至g)用以對該多層模子增加額外的層；i)電流地(galvanically)沉積一金屬或合金於該多層樹脂模子的孔洞內；j)將該基材分離，然後去除該等樹脂層用以露出一由沉積在該等孔洞內的金屬或合金所形成的多層金屬結構。

與先前技術的第二種方法相較，很清楚的是，依據本發明，該多層金屬部件是在單一電流生長步驟(步驟J)中被形成的。然而，依據本發明，形成該光阻模的各種樹脂層係一層接一層地分別被顯影。因此，可針對頂層的預烘烤及底層的後期烘烤分別改變溫度及持續時間。

依據本發明的方法的另一項優點為，它可在兩個層上獲得共同的側壁，這在上述之第一種先前技方法中是不可能的。

本發明的另一項優點為，與上述之第二種先前技方法不一樣地，本發明讓不同的層使用不同本質的光敏樹脂。例如，吾人可預想到的是，對該第一層使用一負光阻及對該第二層使用一正光阻。這讓本發明的方法可以更容易製造具有複雜形狀的一些結構。

依據第一實施變化例，在步驟d)之後，該方法包括形成一導電表面於該樹脂層在前一步驟中被顯影的剩餘部分上。

或者，依據第二變化例，形成一次穿的導電表面於該第一光敏樹脂層上的步驟可被放置在步驟b)與步c)之間，或在步驟c)與步驟d)之間。依據另一變化例，一但光阻模子被製成之後，該導電層可被形成在步驟g)與步驟h)之間。

依據本發明，該方法包括取得一具有一導電表面的基材的步驟。在附圖中所示的特定實施例中，基材1係用矽，玻璃或陶瓷晶圓製成(圖1)，在其上已於取得該基材之前即藉由氣相沉積形成有一導電層2(圖2)。此導電層2被用作為後續的電流沉積處理的一打底層(priming layer)，即陰極。典型地，該打底層2可用一其上覆蓋了一金或銅層的鉻或鈦的底層來形成。

依據一未示出的變化例，在沉積該打底層2之前，一犧牲層(其可用鋁來形成)首先被真空電鍍於該基材上。此犧牲層的厚度典型地為十分之一微米，且其係用來在該方法結束時讓該多層金屬結構能夠與該基材分離。依據另一變化例，相同的金屬化層可達到該犧牲層與該打底層兩者的功能。又，除了真空電鍍之外，可用電流沉積技術來形成犧牲層。

或者，該基材可用不銹鋼板或其它金屬來形成。很清楚的是，在這些條件下，並不一定要沉積一導電層。然而，該打底表面在使用之前通常必需加以清潔。

下一個步驟(圖3)係關於將該基材的的導電表面覆蓋一第一光敏樹脂層。所用的樹脂較佳地為Shell Chemical公司所販售的SU-8其係一以八官能基(octofunctional)環氧樹脂為基礎的樹脂。此樹脂亦包括一選自於三芳香烴硫化鹽類(例如描述於美國專利第4,058,401號中者)的光起始劑(photoinitiator)。

或者，該光敏樹脂可以是一正光阻劑，其被設計成藉由UV輻射的作用而分解。很清楚的是，本發明並不侷限於少數幾種光敏樹脂。熟習此技藝者將可知道如何在所有已知的適於UV光微影成像的樹脂中選擇一合於它們的要求的光敏樹脂。

樹脂3可使用任何熟習此技藝者已知的技術(譬如，旋轉塗佈，圓筒施用，甚至是“固體”樹脂的層壓等等技術)來沉積於該打底層2上。該光敏樹脂層3的厚度典型地介於150至600微米之間。根據厚度及所用的技術，該樹脂可在一或數個步驟中被沉積。

根據本發明之形成本發明的目的之特定的實施例，在步驟b)之後，樹脂層3於90度至95度之間的溫度再次被預烘烤一段足以將溶劑汽化的時間。然而，對於熟習此技藝者而言很清楚的是，根據所用之樹脂的本質，此預烘烤步驟並非是一定必要的。

該方法的下一個步驟(圖4)係關於透過一光罩4的孔洞用UV輻射來照射該樹脂層，該光罩界定所想要的微結構的第一層的輪廓。此UV輻射可藉由一具有365至410nm強度的峰值之對準器(aligner)來實施。該輻射的振幅與該樹脂的厚度關在波長為365nm下測得之振幅典型地係介於200至1000mJ/cm³ 。如果有需要的話，一後期烘烤步驟在90至95℃的溫度之間被實施15至30分鐘。該被隔離的(光聚合物化的)區域3a變成對絕大多數的顯影液體不敏感。然而，未被隔離的區域3b可接下來使用一適當的顯影液體加以溶解。

該方法的下一個步驟(圖5)係關於將該光敏樹脂層3顯影。在此例子中，所用的光阻劑為負光阻劑。在這些條件下，將該光阻劑顯影意謂著化學地蝕刻該樹脂，用以溶解該等未被隔離的區域3b，並露出基材1在該等位置處的的導電表面2。然而，很清楚的是，在正光阻劑的例子中，被溶解的是被隔離的區域3a。熟習此技藝者將可根據光敏樹脂製造商的使用說明知道如何選擇在光阻顯影步驟中適合的顯影液體。根據一有利的變化例，在為面的步驟作準備時，透過短暫地曝露在一電漿中用以將該樹脂模子適當地清潔並活化該模子表面來讓該顯影步驟更完美。

該方法的下一個步驟(圖6)係關於讓該樹脂層表面在前一個步驟中被顯影的剩餘部分導電。為了要如此作，一金屬化層5藉由真空電鍍而被沉積。

圖6顯示該金屬化層5較佳地只覆蓋水平表面，使得側壁仍保持絕緣。然而，導電表面2在前一步驟中被露出來的部分不能被導電層5覆蓋，不如此的話將傷害此方法。又，根據位示出的一變化例，該金屬化可被實施在垂直的表面上以及在水平的表面上。

又，熟習此技藝者在選擇一可蒸發黏附於該光阻劑上的金屬，或在選擇一可被用作為一後續的電流沉積的打底層5的金屬上不會有任何特別的困難。例如，鉻可滿足這兩個條件。又，本質上是導電的光阻劑是存在的。很清楚的是，在此特殊的例子中，實施表面金屬化並不一定是必要的。

根據以上所述，該導電表面5係在該方法的步驟d)之間被形成在該光敏樹脂層上。

或者，根據一第二變化例，形成一導電表面於該第一光敏樹脂層上的步驟可被放在步驟b)與步驟c)之間或在步驟c)與步驟d)之間。在步驟b)之後沉積的例子中，導電表面5是在被沉積之後再加以刺穿，或者該導電層係直接被沉積在該預定的穿孔中用以讓步驟c)能夠如上文中所描述地實施，或這用以讓該導電表面5可被用作為實際的光罩4。在後者的例子中，很清楚的是，樹脂3必需是正樹脂。

在步驟c)之後沉積的例子中，導電表面5是在被沉積之後才被刺穿，或者依據與光罩4上的穿孔匹配之穿孔被直接沉積，用以讓步驟d)能夠如上文所述地實施。因此，很清楚的是，如果導電表面5是在步驟b或c)之後被沉積的話，它不只會出現在第一樹脂3的頂面上而且會出現在一部分的導電表面2上，如圖6所示。

根據另一變化例，一但該光阻模子被形成之後，該導電層可被形成在孔洞的底部介於步驟g)與h)之間。

該方法的下一個步驟(圖7)係關於沉積一新的光敏 樹脂層6於該金屬層5上，以覆蓋該金屬層並填滿在該經過顯影的樹脂層3的孔洞。關於此步驟，形成在該經過顯影的樹脂層3中的孔洞被新的光敏樹脂填滿是較佳的。當使用一旋轉塗佈機並無法提供令人滿意的沉積結果時，可使用其它的沉積技術來製造該新的光敏樹脂層。例如，可用一噴灑光阻劑(如，Microchemical GmbH公司的Ti噴灑劑)的方式來噴灑待覆蓋的表面，或甚至是使用事先經過稀釋之傳統的正光阻劑。亦可藉由一由Shipley公司的PEPR2400光阻劑的電流沉積來形成該新的樹脂層6。

或者，可在光阻劑不穿透孔洞下施用新的層6的光阻劑用以覆蓋層3。為了要獲得此結果，吾人可使用一樹脂，其可藉由層壓而黏著。

該方法的下一個步驟(圖8)係關於透過一光罩7的孔洞用UV輻射來照射該新的樹脂層6，該光罩界定所想要的微結構的第二層的輪廓。此步驟需要將該光罩7與第一層的孔洞對準。熟習此技藝者知道如何達到此對準，例如藉由使用對準光罩。

再者，圖8顯示依據本發明的方法可製造在兩個層(或更多層)上的側翼(flanks)。如上文描述的，根據所用之光阻的本質，一後期烘烤步驟被實施在該組件上用以將UV輻射所誘發之聚合完美化。

該方法的下一個步驟(圖9)係關於將該新的經過照射的光敏樹脂層6顯影。此技術可以與第一層光敏劑顯影時所用的技術相同。將樹脂層6顯影的步驟產生具有兩層的樹脂模子。根據一變化例，在此步驟被實施之後，如果有需要的話，可重復相當於圖6至9的步驟，以獲得一具有三層的樹脂模子。

此方法的下一個步驟(圖10)係關於電流沉積一金屬或合金於該多層樹脂模子的孔洞中。根據一有利的變化例，在此步驟之前，形成該樹脂模子的側翼的表面以及金屬化的表面都被活化。將這些表面活化可改善該電流沉積的打底及規則性。典型地，電流沉積所用的金屬將從包括鎳，銅，金及銀，或金-銅，鎳-鈷，鎳-鐵及鎳-磷的群組中選出。通常，該多層金屬結構完全是用相同的金或金屬來形成。然而，亦可在電流沉積步驟期間改變金屬或合金，用以獲得一包括至少兩層不同本質的金屬結構。熟習此技藝者會知道如何根據將被沉積之金屬或合金來決定電流沉積的條件，特別是，鍍槽(bath)的組成，系統形狀，電流電壓及強度。這可參考由設在美國紐約的Nan Nostrand Reinhold公司所出版在L. J. Durney指導下由Di Bari G.A.所著之“electroforming”Electroplating Engineering Handbook第4版的內容。

再參考圖9，在樹脂模子中之孔洞並不是都具有相同的深度。有些孔洞露出基材1的導電層2，而其它的孔洞則只延伸至導電層5，該導電層5覆蓋該光敏樹脂3的第一層。在一傳統的方法中，該電流沉積設施被設置成可維持該基材的導電層2被通電使其如一陰極般地作用。依據本發明，覆蓋該第一光敏樹脂層的導電層5較佳地沒有被連接至該電壓源。因此，在第一階段中，該電流沉積只被實施在該導電表面2上。只有在該被電鍍的金屬層到達該第一樹脂層的高度且接觸到該導電層5時才能對金屬層5通電。因為此特徵，該電流生長可在不同的孔洞中同時進行，這表示可製造成具有平坦的表面的結構。

此方法的下一個步驟(圖11)係關於將聚合化的光阻劑及在前一步驟中獲得之多層金屬結構所形成的組件與該基材分離。如果該基材具有在該方法一開始時形成的犧牲層的話，該多層金屬結構係藉由將該犧牲層溶化(圖11)而被分離(例如，如果該犧牲層是用鋁形成的話，使用氫氧化鉀溶液(KOH))。

根據所用的材料，可單純地藉由剝離來將該多層金屬結構與該樹脂模子分離，而無需蝕刻及溶解一犧牲層。當該基材為一固體金屬晶圓時特別是如此。

當該多層金屬結構及該光阻已與該基材分離，下一個步驟(圖12)係關於去除該等光敏樹脂層用以釋放出該金屬微結構。

根據一未示出的變化例，該多層金屬結構再次被放置在一鍍槽中用以去除打底層2，5的剩餘部分。

在形成此說明書的主體的例子中，該方法進一步包含一最後的步驟(圖13)，其係關於藉由研磨及拋光技術留下該多層結構的頂部。

同樣很清楚的是，對於熟習此技藝者很明顯之不同的變化及/或改良可在不偏離本發明之由下面的申請專利範圍所界定的範圍下被實施以形成本說明書的主體。

1．．．基材

2．．．導電(打底)層

3．．．光敏樹脂層

4．．．光罩

3a．．．被隔離的區域

3b．．．未被隔離的區域

5．．．金屬化(導電)層

6．．．光敏樹脂層

7．．．光罩

8．．．多層金屬結構

依據本發明的方法的其它特徵及優點在參考附圖閱讀下文中非限制性的描述之後將會變得很明顯，其中：

圖1至13顯示一相當於本發明的方法之特定實施例的各個步驟。

6．．．光敏樹脂層

7．．．光罩

Claims (8)

1. 一種藉由UV光微影成像及電流沉積技術來製造一多層金屬微結構的方法，其中該方法包含的步驟為：a)提供一具有導電表面的基材；b)用一光敏樹脂的第一層來覆蓋該導電表面；c)經由一與所想要的圖案凹穴相符的第一光罩來照射該光敏樹脂的第一層；d)將該光敏樹脂的第一層顯影用以在該光敏樹脂的第一層內挖出孔洞並因而獲得一樹脂模子的第一層，在該第一樹脂層中的該等孔洞露出該基材的導電表面；e)沉積一新的光敏樹脂層於該經過顯影的樹脂層上用以覆蓋該經過顯影的樹脂層，以填滿在該經過顯影的樹脂層內的孔洞；f)經由一與所想要的圖案凹穴相符的第二光罩來照射該新的光敏樹脂層；g)將該新的光敏樹脂層顯影用以在該新的光敏樹脂層內挖出孔洞並獲得一多層樹脂模子，在該多層樹脂模子中的該等孔洞露出該基材的導電表面；h)電流地(galvanically)沉積一金屬或合金於該多層樹脂模子的孔洞內；i)將該基材分離，然後去除該等樹脂層用以露出一由沉積在該等孔洞內的金屬或合金所形成的多層金屬結構。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在步驟b)之 後，該方法包括形成一被穿洞的導電表面於該第一導電樹脂層上的步驟。
3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在步驟c)之後，該方法包含形成一被穿洞的導電表面於該光敏樹脂的第一層上的步驟。
4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在步驟d)之後，該方法包含形成一導電表面於該樹脂層的表面在前一步驟中被顯影的剩餘部分上的步驟。
5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在步驟g)之後，該方法包括在該等孔洞的底部形成一導電表面的步驟。
6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中當步驟g)被完成時，在前進至步驟h)之前，步驟e)至g)被重復用以增加一額外的層至該多層模子。
7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該等導電表面是由一鉻及金層的堆疊所形成的。
8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在步驟h)之後，該方法包括一步驟，其在於將該樹脂及被沉積的金屬平坦化，用以讓該樹脂與該多層結構同高度。