专利名称：用于电铸法的模具以及制造该模具的方法
技术领域：
本发明涉及用于使用电铸法(电镀，galvanoplasty)制造微机械部件的模具，以 及制造所述模具的方法。
背景技术：
电铸法已被长期使用并为大家公知。LIGA类型的方法(已知的德语术语 "rontgenLIthographie, Galvanoformung&Abformung，，的缩写)是最新的方法。所述方法 包括通过使用光敏树脂利用光刻法形成模具，然后利用电铸法在其中生长金属沉积物例如 镍。LIGA技术的精度远好于例如通过机械加工获得的常规模具的精度。因而，此精度允许 制造尤其用于钟表机芯的微机械部件，这在以前是不可想象的。但是，这些方法并不适合于具有高的长度直径比的微机械部件，例如由包含例 如12%的磷的镍-磷制成的同轴擒纵轮。这种部件的电解沉积物在电镀期间由于电镀的 镍-磷中的内部应力而层离，这使得其在与基材的接口处分离。
发明内容
本发明的一个目的是通过提出一种替代性的模具来完全或部分地克服上述缺陷， 该模具可至少提供相同的制造精度，并且允许制造具有数个层面(水平面，level)和/或 高的长度直径比的部件。因此，本发明涉及一种用于制造模具的方法，所述方法包括以下步骤a)在由硅基材料制成的晶片的顶部和底部上沉积导电层；b)使用粘接层将所述晶片固定到基材；c)从晶片的顶部除去所述导电层的一部分；d)以被从顶部的导电层除去的所述部分的形状刻蚀所述晶片直至该晶片底部的 导电层，以便在所述模具中形成至少一个凹腔。根据本发明的其它有利的特征-在步骤d)之后，该方法包括步骤e)在所述晶片的顶部的导电层上安装一部件， 以在所述模具中形成第二层面；-步骤e)是通过利用光刻法构造光敏树脂或者通过固定由硅基材料制成的被预 先刻蚀的部件实现的；_在步骤d)之后，该方法包括步骤f)在所述至少一个凹腔内安装一杆，以在所述 部件中形成轴孔；-粘接层和底部的导电层是颠倒的；-粘接层包括光敏树脂；_基材包括硅基材料；-该方法包括步骤d’)刻蚀基材直至顶部导电层，以在模具中形成至少一个凹 部。
-在步骤d’)之后，该方法包括步骤e’)在沉积到基材的顶部上的导电层上安装 一部件，以在模具中形成附加层面。-在步骤d’)之后，该方法包括步骤f’ )在所述至少一个空腔中安装一杆，以在部件中形成轴孔；-步骤d)包括以下阶段g)使用光敏树脂利用光刻法在还未被除去的顶部导电层 的部分上构造保护掩模，h)沿未被所述保护掩模覆盖的部分执行晶片的各向异性刻蚀，以 及i)除去保护掩模；-步骤d)包括阶段h’)使用顶部导电层作为掩模执行晶片的各向异性刻蚀，以在 被从所述导电层除去的部分中刻蚀晶片。-在相同基材上制造数个模具。本发明还涉及一种通过电铸法制造微机械部件的方法，其特征在于，所述方法包 括以下步骤j)根据前述变型之一的方法制造模具；k)通过将电极连接到由硅基材料制成的晶片底部的导电层上来执行电沉积，以在 所述模具中形成所述部件；1)从所述模具释放该部件。最后，本发明有利地涉及一种用于通过电铸法制造微机械部件的模具，其特征在 于，所述模具包括基材、由硅基材料制成的部件，该部件安装在所述基材上并且包括至少一 个凹腔，该凹腔显露所述基材的导电表面，使得能够在所述至少一个凹腔中生长电解沉积 物。根据本发明的其它有利的特征-该模具包括第二部件，所述第二部件安装在第一部件上并且包括至少一个凹部， 所述凹部显露所述第一部件中的至少一个凹腔和导电层，以便在所述至少一个凹腔已被填 满之后在所述至少一个凹部中延续该电解沉积物；-该基材由硅基材料形成并且具有至少一个空腔，所述空腔显露所述基材的导电 表面，使得能够在所述至少一个空腔中生长电解沉积物；-该模具包括附加部件，所述附加部件安装在基材上并且包括至少一个凹部，所述 凹部显露基材中的导电表面和至少一个空腔，以便在所述至少一个空腔已被充满之后在所 述至少一个凹部内延续所述电解沉积物。
从下面参照附图并且仅作为非限制性说明给出的描述中将更清楚其它特征和优 点，在附图中-图1-7是根据本发明的制造微机械部件的方法的连续步骤图；-图8是根据本发明的制造微机械部件的方法的流程图；-图9-13是根据本发明的制造微机械部件的方法的最后的连续步骤。
具体实施例方式如图8所示，本发明涉及通过电铸法制造微机械部件41、41’的方法1。方法1优选地包括制造模具39、39’的方法3，随后是电铸步骤5以及从所述模具释放部件41、41’的 步骤7。模具制造方法3包括制造模具39、39’的一连串步骤，该模具包括至少一个由硅基材料制成的部件21。在方法3的第一步骤9中，由硅基材料制成的晶片21在其顶部和底部 上涂覆有导电层，所述导电层在图1中分别被标记为20和22。导电层20、22可包括例如金 或铜。在第二步骤11中，如图2所示，在基材23的顶部涂覆粘接材料层24，该基材23也 可以是基于硅的。该粘接材料例如可以是未活化的光敏树脂，或者更一般地为可容易去除 的光敏树脂。在第三步骤13中，如图3所示，使用覆盖基材23的粘接层24至少临时地固 定晶片21ο根据本发明的可选择实施例，如下所述，粘合层24和底部导电层22可以颠倒。在第四步骤15中，如图3所示，将晶片21顶部的导电层20除去一部分26以显露 该晶片21的一部分。在第五步骤17中，对晶片21进行刻蚀，直至露出底部导电层22。根 据本发明，刻蚀步骤17优选地以与在步骤15中从导电层20除去的部分26相同的模式进 行。刻蚀步骤17优选地包括深反应离子刻蚀(DRIE)类型的各向异性干侵蚀。根据步骤17的第一变型，将晶片21顶部的导电层20的材料选择为用作防护掩 模。因此，当掩模20-晶片21组件受到各向异性刻蚀时，仅有晶片的未被保护的部分26被 刻蚀。在步骤17结束时，如图4所示，由此在晶片21中获得至少一个凹腔25，该凹腔的底 部部分地显露底部导电层22。根据步骤17的第二变型，首先，使用光敏树脂利用光刻法在晶片21上涂覆防护掩 模，该防护掩模优选地例如具有与被除去的部分26相同的形状。其次，当对掩模-基材组 件进行各向异性刻蚀时，仅晶片的未被保护的部分被刻蚀。最后，在第三阶段，除去防护掩 膜。在步骤17结束时，如图4所示，由此在晶片21中获得至少一个凹腔25，该凹腔的底部 部分地显露底部导电层22。在图8中以三重线示出的上述可选择实施例中一其中粘接层24和底部导电层22 颠倒，在步骤18中不再需要在粘接层24中延续所述凹腔25以显露所述底部导电层22。优 选地，此可选择实施例中使用的材料是光敏树脂，该光敏树脂可被辐射以便延续凹腔25。在步骤17之后，本发明提出了两个实施例。在图8中由单线示出的第一实施例中， 在步骤17之后，模具制造方法3结束，紧接着以电铸步骤5和从所述模具中释放部件的步 骤7进行微机械部件制造方法1。电铸步骤5通过将沉积电极连接到晶片21的底部导电层 22以便首先在所述模具的凹腔25中生长电解沉积物来实现，然后在步骤7中，从所述模具 中释放在凹腔25中形成的部件。根据该第一实施例，很清楚，所获得的微机械部件具有单个层面，其形状为贯穿其 整个厚度都相同。根据图8中由双线示出的本发明的第二实施例，在步骤17之后为用于在模具39 中形成至少一个第二层面的步骤19。由此，通过在顶部导电层20的一个部分一未在步骤 15中未被除去的部分一上安装部件27来实现该第二层面。部件27优选地例如通过使用光敏树脂的光刻方法，在导电层20上在具有比被除去的部分26大的截面的凹部28中形成。此外，如图5所示，在步骤19中，优选地安装一杆29，以便在电铸期间立即形成用于微机械部件41的轴孔42。这不仅具有在电铸结束后不需要对部件41进行机加工的优 点，还意味着可在孔42的整个高度上形成任何形状的截面，而无论该孔是否均勻。杆29优 选是与部件27同时在步骤19中得到的，例如使用光敏树脂利用光刻方法得到。在第二实施例中，模具39的制造方法3在步骤19之后结束，接下来通过电铸步骤 5和从所述模具中释放该部件的步骤7进行微机械部件制造方法1。如图6所示，电铸步骤5是通过如下操作实现的，即，将沉积电极连接到晶片21的 底部的导电层22上，以便首先在所述模具的凹腔25中生长电解沉积物，然后专门在第二阶 段中在凹部28中生长电解沉积物。实际上，根据本发明有利的是，当电解沉积物与凹腔25的顶部部分平齐时，它与 导电层20电接触，这使得沉积物能够在整个凹部28中继续生长。有利的是，本发明使得可 制造具有高长度直径比的部件，即，其中凹腔25的截面远小于凹部28的截面，从而即使对 于包含例如12%的磷的镍-磷材料也可避免层离问题。由于在导电层20之下使用硅，在界面处的层离现象减少，这样避免了由电解沉积 材料中的内部应力导致的分裂。根据第二实施例，制造方法1以步骤7结束，在该步骤中，从模具39释放在凹腔25 中形成并然后在凹部28中形成的部件41。释放步骤7例如可通过使层24层离或者通过刻 蚀基材23和晶片21实现。根据此第二实施例，如图7所示，很清楚，所获得的微机械部件 41具有两个层面43、45，各层面具有不同的形状以及完全独立的厚度。此微机械部件41可例如是同轴擒纵轮或者擒纵轮43-小齿轮45组件，其不仅具 有微米量级的几何精度，而且在所述层面之间具有理想的参照一即完美的定位。根据图1-5以及图8-13中的双点划线所示的方法1的第二变型，可在模具39添加 至少第三层面。根据所使用的可选择方案或变型，第二变型直至步骤17、18或19都与上述 方法1相同。在图9-13所示的示例中，将以图8中由双线示出的第二实施例作为起始点。优选地，根据此第二变型，基材23由硅基材料形成，并且被刻蚀以在模具39’中形 成空腔35。如优选从图5和9之间可以看出的，为了在机械上承受方法1的该第二变型的步 骤，已在第一凹腔25的一部分内执行沉积33以提供比层22厚的导电层。优选地，通过起 始步骤5执行此沉积33，直至达到预定深度。但是，该沉积可根据不同方法执行。如在图8中用双点划线示出的，方法1的第二变型将方法3最后的步骤17、18和 /或19应用于基材23。因此，在新步骤17中，基材23被刻蚀直至显露导电层22。刻蚀步 骤17优选地包括深反应离子刻蚀(DRIE)优选地，首先如图9所示，通过使用光敏树脂的光刻法在例如包括穿孔部分36的 基材23上涂覆保护掩模30。其次，对掩模30-基材23组件进行各向异性刻蚀，其中仅该基 材的未被保护部分被刻蚀。第三，除去保护掩膜30。因而如图10所示，在基材23中获得至少一个空腔35，该 空腔的底部部分地显露粘接层24。最后，第四，使空腔35延伸到层24中，并且可能还延伸 到层22中。用于粘接层24的材料优选地为光敏树脂，其暴露于辐射下以延续空腔35。在步骤17结束时，可由此在基材23中获得至少一个空腔，该空腔的底部部分地显露导电层22 或者可能的沉积物33。当然，以与上述相似的方式，还可在基材23上而非光敏树脂掩模30上沉积导电 层，该掩模的材料被选择为其可用作保护掩模。类似地，在其中粘接层24和底部导电层22颠倒的前述可选择方案的情况下，不再 需要将所述空腔35延续到粘接层24中以显现导电层22或者可能的沉积物33。在方法1的第二变型的步骤17之后，本发明还可提供前述两个实施例，即继续进行电铸步骤5和释放步骤7，或者继续进行步骤19以便在基材23上形成至少一个附加层 面。为简化附图，图11-13是从第一实施例实现的。优选地，无论选择哪个实施例，如图11所示，在电铸期间，都安装一杆37以便在电 铸期间直接形成用于微机械部件41’的孔42’。优选地，如果杆29和37分别形成在凹腔 25和空腔35中，则使它们对齐。优选地，例如使用光敏树脂利用光刻方法获得杆37。在新步骤17或19之后，通过将沉积电极连接到导电层22以执行电铸步骤5，以便 如图12所示，不仅在空腔35中生长电解沉积物，而且还在凹腔25中并然后专门在第二阶 段在凹部28中延续沉积物33的生长。制造方法1以步骤7结束，在该步骤中如上所述从 模具39’释放部件41’。根据该第二变型，如图13所示，可清楚地看到所获得的微机械部件41’具有至少 三个层面43’、45’和47’ 一各层面具有不同的形状以及完全独立的厚度，并具有单个轴孔 42，。该微机械部件41’例如可以是同轴的擒纵轮43’、45’及其小齿轮47’，或者具有三 个齿层面43’、45’、47’的轮副，其不仅具有微米量级的几何精度而且在所述层面之间具有 理想参照一即完美的定位。当然，本发明并不局限于所示的示例，而是可包括对于本领域技术人员明显的各 种可选择方案和变型。特别地，部件27可包括预先刻蚀的硅基材料，然后被固定在导电层 20上。此外，可利用同一基材23制造数个模具39、39’，以实现不一定彼此相同的微机械 部件41、41，的连续制造。类似地，即使在单一层面的第一实施例的范围内，也可在凹腔25中形成杆29，以 便形成用于未来的部件41的轴孔42。还可设想将硅基材料换为结晶氧化铝或结晶二氧化 硅或碳化硅。最后，在步骤9中形成的并然后在步骤15中被部分地穿孔的层20还可通过单个 的选择性的沉积步骤15实现。此步骤15则可包括首先在沉积导电层20之前，沉积与界面 26形状相同的牺牲层。其次，在该组件的顶部沉积导电层20。最后，在第三阶段，除去该牺 牲层，并且附带地除去其上沉积的导电层部分，这样提供给了与图3中可见的层相同的层 20。该步骤15已知为“拔起(剥离，lift-off) ”。
权利要求
用于制造模具(39，39’)的方法(3)，所述方法包括以下步骤a)在由硅基材料制成的晶片(21)的顶部(20)和底部(22)上沉积(9)导电层；b)使用粘接层将所述晶片固定(13)到基材(23)上；c)从晶片(21)的顶部除去(15)所述导电层的一部分(25)；d)以被从所述晶片的顶部的导电层(20)除去的所述部分的形状(26)刻蚀(17)所述晶片，直至刻蚀到该晶片的底部的导电层(22)，以便在所述模具中形成至少一个凹腔(25)。
2.根据权利要求1的方法(3)，其特征在于，在步骤d)之后，所述方法包括以下步骤e)在所述晶片的顶部的导电层(20)上安装(19)一部件(27)，以在所述模具中形成第二层面。
3.根据权利要求2的方法(3)，其特征在于，步骤e)是通过利用光刻法构造光敏树脂 而实现的。
4.根据权利要求2的方法(3)，其特征在于，步骤e)是通过固定由预先刻蚀的硅基材 料制成的部件(27)而实现的。
5.根据权利要求1的方法(3)，其特征在于，在步骤d)之后，所述方法包括以下步骤f)通过光刻法在所述至少一个凹腔(25)中形成杆(29)，以在所述部件中形成轴孔 (42)。
6.根据权利要求1的方法(3)，其特征在于，所述粘接层(24)和晶片底部的导电层 (22)是颠倒的。
7.根据权利要求1的方法(3)，其特征在于，粘接层(24)包括光敏树脂。
8.根据权利要求1的方法(3)，其特征在于，基材(23)包括硅基材料。
9.根据权利要求8的方法(3)，其特征在于，所述方法包括以下步骤d’)刻蚀(17)基材(23)直至底部的导电层(22)，以在模具(39’)中形成至少一个空 腔(35)。
10.根据权利要求9的方法(3)，其特征在于，在步骤d’)之后，所述方法包括以下步骤e’)在沉积到基材(23)的底部的导电层上安装一部件，以在模具(39’)中形成附加层
11.根据权利要求9的方法(3)，其特征在于，在步骤d’)之后，所述方法包括以下步骤f’ )在所述至少一个空腔(35)中形成杆(37)，以在部件(41’ )中形成轴孔(42)。
12.根据权利要求1的方法(3)，其特征在于，步骤d)包括以下阶段g)使用光敏树脂利用光刻法在还未被除去的顶部导电层的部分上构造保护掩模；h)在未被所述保护掩模覆盖的部分上执行晶片的各向异性刻蚀；i)除去保护掩模。
13.根据权利要求1的方法(3)，其特征在于，步骤d)包括以下阶段h’ )使用顶部的导电层作为掩模执行晶片的各向异性刻蚀，以在被从所述导电层除去 的部分中刻蚀晶片。
14.根据权利要求1的方法(3)，其特征在于，利用同一基材(23)制造数个模具(39，，39，)。
15.通过电铸法制造微机械部件(41，41’)的方法(1)，其特征在于，所述方法包括以下 步骤j)根据权利要求1的方法(3)制造模具(39，39’ )；k)通过将电极连接到由硅基材料制成的晶片(21)底部的导电层(22)上来执行(5)电 沉积，以便在所述模具中形成所述部件；1)从所述模具释放(7)该部件(41,41' )o
16.用于通过电铸法制造微机械部件(41，41’)的模具(39，39’)，其特征在于，所述模 具包括基材(23)、由硅基材料制成的部件(21)，该部件(21)安装在所述基材上并且包括至 少一个凹腔(25)，该凹腔显露所述基材的导电表面(22)，以便能够在所述至少一个凹腔中 生长电解沉积物。
17.根据权利要求16的模具(39，39’)，其特征在于，所述模具包括第二部件(27)，该 第二部件安装在第一部件(21)上并且包括至少一个凹部(28)，所述凹部显露所述第一部 件中的至少一个凹腔(25)和导电层(20)，以便在所述至少一个凹腔已被填满之后在所述 至少一个凹部中延续该电解沉积物。
18.根据权利要求16或17的模具(39’)，其特征在于，基材(23)由硅基材料形成并且 具有至少一个空腔(35)，所述空腔显露所述基材的导电表面(22)，使得能够在所述至少一 个空腔中生长电解沉积物。
19.根据权利要求18的模具(39’)，其特征在于，所述模具包括附加部件，所述附加部 件安装在基材(23)上并且包括至少一个凹部，所述凹部显露基材中的导电表面和至少一 个空腔(35)，以便在所述至少一个空腔已被充满之后在所述至少一个凹部内延续所述电解 沉积物。
全文摘要
本发明涉及一种用于制造模具(39，39’)的方法(3)，所述方法包括以下步骤a)在由硅基材料制成的晶片(21)的顶部(20)和底部(22)上沉积(9)导电层；b)使用粘接层将所述晶片固定(13)到基材(23)；c)从晶片(21)的顶部除去(15)所述导电层的一部分(25)；d)以被从顶部导电层(22)除去的所述部分的形状(26)刻蚀(17)所述晶片直至其底部的导电层(22)，以便在所述模具中形成至少一个凹腔(25)。本发明涉及微机械部件尤其是钟表机芯的领域。
文档编号C25D1/10GK101831673SQ20101013401
公开日2010年9月15日 申请日期2010年3月12日 优先权日2009年3月13日
发明者C·戈尔菲耶尔, J-P·蒂埃博, P·卡森 申请人:尼瓦洛克斯-法尔股份有限公司