专利名称：以liga工艺制造单层或多层金属结构体的方法及获得的结构体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种以LIGA工艺制造单层或多层结构体的方法，并涉及可以通过该方法获得的新的单层或多层金属结构体。
背景技术：
DGC Mitteilungen No.104，2005提及用于制造计时器的高精密度金属部件例如支座(anchors)或擒纵轮的称为LIGA(Lithographie GalvanikAbformung[Lithography，Electroforming，Molding]，由德国卡尔斯鲁厄原子核研究中心的W.Ehrfeld设计的方法)工艺的使用。该方法具有需要昂贵设备即同步加速器以产生X-射线辐照的缺点。因此它不能广泛地用在制表业中。
A.B.Frazier等，Journal of Microelectromechanical Systems，2，2，June1993描述了通过金属在基于聚酰亚胺的光致抗蚀剂制成的模具中的电沉积来制造金属结构体，这些是借助于利用类似于LIGA工艺但是用UV光照代替X-射线辐照的称为UV-LIGA工艺的方法生产的。
用于制造单层金属结构体的方法包括下列步骤-在硅载体晶片上形成牺牲金属层和用于电沉积的晶种层；-通过旋涂沉积光敏聚酰亚胺；-通过对应于所需印痕的掩模进行UV光照；-通过溶解未经辐照的部分以便获得聚酰亚胺模具而进行显影；-在所述模具的未遮盖部分中电沉积镍或铜直到其高度；和-除去牺牲层，并且从由电铸获得的金属结构体分离载体晶片，并且除去聚酰亚胺模具。
该文件描述了利用该方法(参阅A)和B)89-91页和图3-7)制造的单层金属结构体例如铜或镍齿轮。
Frazier等也公开了用于制造双层金属结构体的方法，该方法包括下列步骤-在硅载体晶片上形成牺牲金属层和用于电沉积的晶种层；-通过旋涂进行光敏聚酰亚胺的沉积；-通过对应于所需印痕的掩模进行用紫外线的光照；-通过溶解未经辐照的部分以便获得聚酰亚胺模具而进行显影；-在模具的未遮盖部分中电沉积镍直到模具的未遮盖部分的高度，以便获得基本平坦的上表面；-真空气相沉积薄铬层；-在该薄铬层上通过旋涂沉积光敏的聚酰亚胺层并且利用盐酸溶液除去薄铬层；-通过对应于所需印痕的新的掩模进行UV光照，通过溶解未经辐照的部分以便获得新的聚酰亚胺模具而进行显影，并且在所述模具的未遮盖部分中进行镍的电沉积；和-牺牲层的除去，从载体晶片上分离由电沉积获得的金属结构体，并且除去聚酰亚胺模具。
该文件描述了将此方法用于制造顶上有平行立面体一般形状凸起物的金属板(V.和图9，92页)，其中第二层被整个地叠加在更大面积的第一层上。
由Frazier等描述的方法在制造的结构体上在它们从所述硅载体晶片脱离之前不容许进行机械加工操作。这是因为载体晶片太易碎而不能抵挡由机械加工产生的机械力。如果机械加工操作是必要的，它需要每个制造的金属结构体是精密定位并固定的。这使所述制造复杂并难以实现。
EP 0 851 295公开了用于制造多层金属结构体例如顶上有双层小齿轮的齿轮(实施例1)或三层热通量微型传感器(实施例3)的另一种UV-LIGA方法。该方法类似于由Frazier等描述的方法并且也具有上述缺点。
在US 5 766 441中已经提出使用厚度从500μm至2mm的铜衬底，所述文件具体说明这些厚度对所述的方法没有影响。在US 2005/0056074中，还已经描述了利用不锈钢衬底制造金属压铸用金属插入物的LIGA方法。这些文件没有提出将该衬底用作金属结构体与由所述衬底的平表面形成的表面不同的至少一个表面的成形元件。
发明内容
本发明的一个目的是发现一种用于制造金属结构体的方法，所述方法不具有上述缺点并且为在LIGA领域中至今未探索的可能性开辟一条道路。
为此，本发明的主题是一种如权利要求1定义的制造方法。
事实上，本申请人已经发现，使用块状金属衬底代替覆盖有牺牲金属层和晶种层的硅载体晶片，可以在其脱离所述衬底之前在原位机械加工由电铸步骤得到的结构体。因而，在同一个衬底上制造大量结构体(或部件)时，可以在它们从所述衬底脱离之前集体地机械加工这些结构体，此时由于在抗蚀剂层上形成印痕所使用的掩模，它们已经被非常精确地定位其上。因此，从所述衬底脱离之后为了后面的机械加工而定位并固定每个结构体的附加步骤不再是必要的。除了实现的简化以外，该方法最特别得益于在所述衬底上定位部件中的非常大的精密度，所述精密度随后不再被再现到这样一种程度。
另外，在制造多层金属结构体情况下，块状金属载体的使用容许在每一个电沉积步骤的结束时通过机械加工(磨蚀和抛光)的平整以便获得平坦上表面或所需厚度。这具有改善获得的多层金属结构体品质的效果，因为相比于具有不规则的表面上，随后的电镀以更有规律的方式进行并且可以在平坦表面上进行更好的厚度控制。
因而，如通过下面的描述将观察到的，在根据本发明的方法中，所述衬底起媒介的作用，所述的媒介涉及所述金属结构体的至少一个表面的形成，该表面不同于由所述基底的平表面形成的表面。
在这样一种LIGA方法中的辐照可以是X射线辐照或紫外线辐照，通过以正常方式通过掩模的光照，通过激光方式的光照，以便产生一系列固化区域，或通过激光烧蚀。
优选地，LIGA工艺是UV-LIGA工艺，也就是说，利用UV辐照的LIGA工艺。
本发明涉及一种以UV-LIGA工艺制造单层机械加工的金属结构体，该方法包括下列步骤a)用光致抗蚀剂层涂覆块状金属衬底；b)如果必要，将所述光致抗蚀剂层加热以便蒸发所述溶剂；c)将所述光致抗蚀剂层通过对应于所需印痕的掩模而曝光于在365nm波长测量的100至2000mJ/cm2的UV辐照；d)如果必要，为了完成光固化或光解，将步骤c)以后获得的层退火；e)通过溶解未固化的或光解的部件而进行显影；f)在光致抗蚀剂模具的未遮盖部分中电沉积金属或合金，g)通过机械加工平整电铸的金属结构体，以便获得平坦上表面；h)如果必要，在电铸机械结构体的顶面上进行一种或多种其它机械加工操作；和i)通过层离，将所述金属结构体和固化的光致抗蚀剂从所述块状金属衬底脱离，并且将所述固化的光致抗蚀剂从机械加工的单层金属结构体分离。
所述块状金属衬底是任何形状的厚度一般为1至5mm的块状金属板，例如圆柱体或平行立面体，其中根据在任何一个衬底上制造的结构体数量选择上表面的范围，所述的数量一般为1至5000，特别是10至3000。这种板由能通过作为阴极而引发(seeding)(启动)电铸反应的金属和/或传导合金形成。例如，它可以由铜黄铜或不锈钢组成。优选地，它由不锈钢组成。
意欲与电解液浴接触的块状金属衬底的上表面，可以例如通过微喷处理、化学的或机械的蚀刻或通过激光而抛光或织构化。在蚀刻所述金属衬底的情况下，然后可以获得至少一个从所述金属衬底上进行的蚀刻而得到的浮雕表面元件(surface element in relief)。这绝对是新的，因为通过除去材料，总是形成蚀刻特征。
用掩模进行所述衬底的蚀刻，所述掩模利用与用于形成限定由LIGA产生的金属结构体形状的模具缝隙的掩模相同的定位系统定位在金属衬底上。因为所述两种掩蔽具有共同的定位参考，所以形成在金属结构体表面上蚀刻特征可以相对于由电沉积产生的金属结构体的周边非常精确地定位。
将所述块状金属衬底通过适合的处理脱脂并准备电铸。当这衬底由不锈钢组成时，适合的处理例如由以下步骤组成碱法脱脂步骤，之后酸中和步骤，目的在于使它的表面钝化；用蒸馏水漂洗和干燥。
所述抗光蚀剂或者是负性光致抗蚀剂，其基于在光引发剂存在下在UV辐射作用下可以固化的树脂，或者是正性光致抗蚀剂，其基于在光引发剂存在下在UV辐射作用下可以分解的树脂。所述负性光致抗蚀剂例如是基于环氧树脂、异氰酸酯树脂或丙烯酸类树脂。有利的环氧树脂是八官能的(octofunctional)环氧树脂SU-8(Shell Chemical)。通常在光敏引发剂存在下使用它，所述光敏引发剂选自三芳基锍盐例如在专利US 4,058,401和4,882,245中描述的那些。所述正性光致抗蚀剂例如是基于在DNQ(重氮萘醌)光敏引发剂存在下的线型酚醛清漆(novalac)-型苯酚-甲醛树脂。
可以通过旋涂或通过另一种工艺，例如浸涂、辊涂、挤出涂覆、喷涂或层压(对于干膜，例如基于丙烯酸类树脂)，沉积所述光致抗蚀剂。优选的涂布工艺是旋涂。
在UV-LIGA的情况下，在步骤c)的辐照条件下引起预期效果(光固化或光解)的最大光致抗蚀剂厚度典型地是1mm。在一种应用中可以涂敷的光致抗蚀剂层的厚度典型是150μm，这取决于旋涂工艺。取决于其所需的厚度，块状金属衬底将用光致抗蚀剂涂敷一次或多次。
在步骤b)中为了除去溶剂，根据所述光致抗蚀剂的属性和厚度按照来自它的制造商的说明书选择可以加热所述光致抗蚀剂的条件。对于基于SU-8环氧树脂的140μm厚度的光致抗蚀剂，步骤b)在于例如在65℃加热5至10分钟，然后在95℃加热30至60分钟。对于基于干式丙烯酸类膜的光致抗蚀剂，蒸发所述溶剂的该加热步骤是不必要的。
如果必须将所述光致抗蚀剂涂覆数次，并且如果必须加热所述光致抗蚀剂以蒸发所述溶剂，则将在所述光致抗蚀剂的第一次涂敷后在步骤a)之后进行步骤b)，并且步骤a)和b)将被重复必要的数次。
步骤c)在于将所述光致抗蚀剂层通过对应于所需印痕的掩模而曝光于在波长为365nm测量的100至2000mJ/cm2的UV辐照。该辐照引起所述树脂(负性光致抗蚀剂)的光固化或所述树脂(正性光致抗蚀剂)的光解。
步骤d)在于如有必要，为了实现步骤c)的光固化或光解，步骤c)之后将获得的层退火。
步骤e)在于通过利用适合的水溶液或溶剂溶解未经辐照的部分(负性光致抗蚀剂)或辐照的部分(正性光致抗蚀剂)而显影所述结构体，这取决于按照来自它的制造商的说明书的所述光致抗蚀剂的属性。适合的水溶液的实例是弱碱性的碱性溶液，例如碳酸钠溶液，并且适合的溶剂的实例是GBL(γ-丁内酯)、PGMEA(丙二醇甲基乙基乙酸酯)和异丙醇。作为显影溶剂或溶液，对于环氧树脂使用PGMEA并且对于丙烯酸类树脂使用1％碳酸钠溶液或异丙醇是有利的。
步骤f)在于利用所述块状金属衬底作为阴极，在光致抗蚀剂模具的未遮盖部分电沉积金属或合金，直到一个限定高度，该高度等于或低于光致抗蚀剂模具的高度。
步骤g)在于通过机械加工而平整，以便具有平坦上表面。这是通过所述块状金属衬底的存在而成为可能的。该操作也可以确保在电沉积的金属结构体的两表面之间存在完美的平行。
经常使用镍、铜、金或银作为电铸用金属并且使用金铜合金、镍钴合金、镍铁合金或镍锰合金作为合金。根据电铸领域熟知的工艺(参阅，例如G.A.DiBari，″Electroforming″，Electroplating Engineering Handbook，第四版，由L.J.Durney编辑，由Van Nostrand Reinhold Company Inc.出版，NewYork，USA 1984)，对于电沉积的每个金属或合金，选择电铸条件，特别是镀液的组成、所述系统的几何形状、电压和电流密度。
机械加工平整操作一般通过磨蚀和抛光进行，从而产生表面粗糙不超过约1μm的平坦上表面。
步骤h)在于如有必要，为了获得所需结构体，在所述电铸机械结构体的顶面进行其它机械加工操作，例如斜削、蚀刻或装饰性机械加工。
步骤i)在于通过层离，将所述机械加工金属结构体从块状金属衬底脱离，并且在于将所述光致抗蚀剂从所述机械加工金属结构体分离。在分离所述光致抗蚀剂以前，可以在脱离的金属结构体上适当地进行蚀刻、表面处理和机械或激光标记操作。
通过层离从所述块状金属衬底顶面脱离的金属结构体的底面再现该顶面的表面光洁度。因而，它将是织构化的(如果将金属衬底的顶面织构化，例如通过蚀刻或微喷处理)或者具有抛光的外观，抛光至所需抛光程度(如果金属衬底的顶面已经抛光至抛光的所需程度)。在后一种情况下，凭肉眼，所述结构体的底面表面的抛光外观不能区别于适宜地通过抛光所述顶面的表面获得的抛光外观。但是，当在具有适合的照明和某种取向的放大倍数为50的光学显微镜下，或者在扫描电子显微镜下，或者利用地形表面分析系统检验时，可以获得这两种表面之间的区别。
一般通过化学蚀刻或通过等离子体处理，进行所述固化抗光蚀剂从机械加工的机械结构体的分离或脱模。在这种方式中，释放所述机械加工的金属结构体。
根据本发明的用于在块状金属衬底上制造单层金属结构体的方法具有优于用于在硅载体晶片上制造这样结构体的已知方法的许多优点。
首先，在脱离所述衬底并分离所述固化的抗光蚀剂模具之前，它容许在电铸以后获得的结构体的上表面上进行任何切削加工，特别是通过磨蚀和任选的磨光对其进行平整，以便获得与所述衬底表面平行的平坦表面，和允许进行一种或多种其它机械加工例如斜削、蚀刻或装饰性机械加工。由此，当在同一个衬底上制造许多结构体(或部件)时，对于这些定位并固定在所述衬底上的结构体，可以进行集体的机械加工，由此在此机械加工的情况下，从所述定位并固定在非常精密的固化光致抗蚀剂模具上受益，所述机械加工在UV-LIGA工艺进行期间进行。如果不是不可能的话，也很难在其已经将它从所述衬底脱离以后在定位并固定各自金属结构体时获得这样的精密度。
本发明的方法可以用于制造包括在将其非常精密定位情况下插入的物体的单层金属结构体。
这是因为，在已经进行步骤a)至e)以后，可以将可移动的固定物体放置在所述块状金属衬底的顶部，并且，当通过层离，从块状金属衬底脱离所述电铸金属结构体时，可以将该物体从块状金属衬底释放。例如，所述物体可以是宝石，例如手表齿轮系的轴承红宝石。利用块状金属衬底的事实容许该轴承借助于销钉很精确地定位，所述的销钉校准到用于引导所述轴承开口的直径并固定在所述衬底中的，所述的轴承从它的表面突出，以便允许它在离它的表面短距离的用于引导所述轴承的开口中啮合。在步骤f)期间，可以将该轴承保持束缚在围绕它的电铸金属或合金中。通过在步骤i)期间从所述块状金属衬底释放电铸结构体，由此获得包括插入物体(或插入物)的电铸结构体。
在覆盖有牺牲金属层和晶种层的硅载体晶片的顶部上，物体的精密定位和可移动的附着是不可能的。通过UV-LIGA用于制造单层金属结构体的已知方法使用这样一种晶片，因此不容许将物体插入到所述电铸金属结构体中。
因此本发明也涉及一种包括插入物体的新的单层机械加工的金属结构体，该结构可以通过上面限定的方法获得。
本发明的方法也容许制造包括精确定位的螺纹孔(threaded hole)的单层金属结构体。
这是因为，在已经进行步骤a)至e)以后，可以通过使螺杆3伸出在所述衬底的上表面外而将该螺杆3放在块状金属衬底1的螺纹孔(tapped hole)中(参阅图5A、5B)，并且在通过层离脱离金属衬底以前，将该螺杆从所述块状金属衬底旋开。所述螺杆由不结合到所述电铸金属上的惰性材料组成，例如由Teflon(PTFE)组成。在需要定位所述螺纹孔的位置下面，在块状金属衬底1中攻出螺纹孔以便垂直通过它，并且将螺杆3从下面引入到所述孔中(参阅图5A、5B)，部分所述螺杆突出在所述衬底上面。在步骤f)期间，所述金属或合金将围绕从块状金属衬底突出的那部分螺杆。在步骤i)之前，将该螺杆从所述块状金属衬底旋开。取决于该螺杆的长度，可以或者具有不通的攻螺纹(图5A)或者具有贯穿的攻螺纹(图5B)。
不可以攻螺纹到硅载体晶片中，因为它太脆并且将会破裂。通过UV-LIGA制造单层金属结构体的已知方法使用这样一种晶片它们因此不制造具有螺纹孔的结构体。
因此，本发明也涉及一种包括螺纹孔的新的单层机械加工的金属结构体，它可以由上面限定的方法获得。
本发明也涉及一种以UV-LIGA工艺制造具有完全叠加层的多层机械加工的金属结构体的方法，所述方法包含下列步骤a)用光致抗蚀剂层涂覆块状金属衬底；b)如果必要，将所述光致抗蚀剂层加热以便蒸发所述溶剂；c)将所述光致抗蚀剂层通过对应于所需印痕的掩模而曝光于在365nm波长测量的100至2000mJ/cm2的UV辐照；d)如果必要，为了完成光固化或光解，将步骤c)以后获得的层退火；e)通过溶解未固化的或光解的部件而进行显影；f)在光致抗蚀剂模具的未遮盖部分中电沉积金属或合金，g)通过机械加工平整电铸的金属结构体，以便获得平坦上表面；h)重复步骤a)、b)、c)、d)和e)并通过电化学处理活化电铸金属未用固化的光致抗蚀剂覆盖的那个表面；i)重复步骤f)和g)；j)如果必要，重复步骤h)和i)；k)如果必要，在所述电铸机械结构体的顶面上进行一种或多种其它机械加工操作；和l)通过层离，将所述金属结构体和所述固化的光致抗蚀剂从所述块状金属衬底脱离，并且从具有叠加层的多层电铸金属结构体分离所述固化的光致抗蚀剂。
所述表述“具有完全叠加层的多层”意思是，对于两个相邻层，上层的外形完全落入下层外形的垂直正视图之内。
步骤a)、b)、c)、d)、e)、f)和g)与上述的用于通过UV-LIGA制造单层金属结构体的方法的那些步骤相同。
步骤h)在于重复步骤a)、b)、c)、d)和e)并且在于通过电化学处理活化电铸金属未用固化的光致抗蚀剂覆盖的那个表面。
重复步骤a)、b)、c)、d)和e)，其中在步骤a)中将步骤g)之后获得的平坦上表面用作衬底，并且，在步骤c)中将对应于新的电铸金属层所需印痕的新的掩模用作衬底。
在重复的步骤e)以后所述电铸金属未用固化的光致抗蚀剂覆盖的表面，例如通过施加反向电流而活化，其中利用表面处理领域熟知的工艺，使所述电铸金属作为阳极。
步骤i)在于重复步骤f)和g)。将金属或合金电沉积在重复步骤e)以后获得的新的固化光致抗蚀剂模具的未遮盖部分，并且通常通过磨蚀和抛光进行机械加工的平整操作，以便获得平坦上表面(表面粗糙度一般不超过约1μm)。在步骤i)期间的金属或合金的电沉积可以与在步骤f)期间的金属或合金的电沉积相同或不同。通常，它是相同的金属或合金。
步骤j)在于如有必要，为了获得所需的多层金属结构体，重复步骤h)和i)。在制造双层金属结构体的情况下，该重复是不必要的。
步骤k)在于如有必要，为了获得所需结构体，在所述电铸机械结构体的顶面进行其它机械加工操作，例如斜削、蚀刻或装饰性机械加工。
步骤l)在于通过层离，将所述机械加工金属结构体从块状金属衬底脱离，并且在于从所述机械加工的机械结构体分离光致抗蚀剂。
从块状金属衬底顶面脱离的金属结构体的底面再现所述顶面的表面光洁度。因而，它将是织构化的(如果使所述金属衬底的顶面织构化，例如通过蚀刻或微喷处理)或具有抛光的外观(如果所述金属衬底的顶面已经进行了抛光操作)。在后一种情况下，通过用肉眼检查，所述结构体的底面表面的抛光外观不能区别于通过在所述顶面的表面上适宜地抛光获得的抛光外观。但是，当在具有适合的照明和某种取向的放大倍数为50的光学显微镜下，或者在扫描电子显微镜下，或者利用地形表面分析系统检验时，可以获得这两种表面之间的区别。
一般通过化学蚀刻或等离子体处理，进行从所述机械加工的机械结构体分离或脱模所述固化光致抗蚀剂。因而释放所述机械加工的金属结构体。
根据本发明用于在块状金属衬底上制造具有完全叠加层的多层金属结构体的方法具有许多超过用于在硅载体晶片上制造这样结构体的已知方法的优点。
它在从所述衬底脱离以前容许在最后的电铸步骤以后获得的金属结构体的上表面上进行任何切削加工，特别是斜削、蚀刻或装饰性机械加工操作。因而，当在任何一个衬底上制造许多结构体(或部件)时，对于这些将集体机械加工的定位并固定在所述衬底上的结构体，对于该机械加工，得益于在UV-LIGA进行期间进行的非常精密的固化光致抗蚀剂模具上的定位和固定。当将其脱离时，在每个金属结构体的定位和固定时很难获得这样的精密度。
本发明的方法在每个电沉积步骤结束时包括通过机械加工的平整步骤以便获得平坦上表面。这具有改善获得的多层金属结构体品质和它的厚度的规则性，特别是某些机械性能和/或外观的效果，因为相比于具有不规则性的表面上的电镀，随后的在抛光表面上的电镀以更规则的方式发生并容许较好的厚度控制。
因而获得了新的并具有有利性质的具有完全叠加层的多层机械加工金属结构体。
本发明因此也涉及通过以上限定的方法可以获得的具有完全叠加层的多层机械加工金属结构体。
由于块状金属衬底的使用，本发明的方法也可以通过以与上述在单层金属结构体的情况下相同的方式进行所述方法而获得新的具有完全叠加层的多层金属结构体，所述的叠加层包括在第一电铸层中的插入物体或螺纹孔。通过由UV-LIGA，使用硅载体晶片制造多层金属结构体的已知方法不能获得包括插入物体或螺纹孔的这样的多层结构体。
本发明因而也涉及一种可以由以上限定的方法获得的多层机械加工金属结构体，所述的多层机械加工金属结构体在它的第一层中具有插入物体或螺纹孔。
通过阅读下列参考附图的详细说明，本发明的其它特征和优点将变得清楚的，所述附图示意性地并举例性地图示实再本发明方法的一些方法。在这些图中-图1是具有单层结构体的回位弹簧的透视图；-图2A至2F是在图1的线AB上的剖视图，显示在图1的弹簧制造中的多个步骤；-图3A是用于手表机心擒纵机构的支座从下面的透视图，并且图3B是在图3A的线AB上的剖视图；-图4A至4H是示意性显示图3A和3B的支座制造中多个步骤的剖视图；-图5A、5B是为了在所述电铸结构体中形成攻螺丝而在块状金属衬底中的螺纹孔中包含螺杆组件部分剖视图；和
-图6是显示如何可以将轴承插入到电铸金属层中的部分剖视图。
具体实施例方式
下列实施例参考图1至4H描述利用本发明的方法制造所述的回位弹簧。
实施例1回位弹簧的制造图1显示具有顶面2、底面1、圆柱孔3和斜边部件4的回位弹簧。
图2A显示权利要求2的方法的步骤b)之后获得的结构体，所述的结构体包含覆盖衬底5的光致抗蚀剂层6。利用下面描述的方案获得该结构体。
将从1mm厚和150mm直径的不锈钢板形成的衬底5通过下面的方法脱脂并准备用于电铸用碱溶液脱脂，用酸溶液中和，以钝化它的表面，然后通过用蒸馏水漂洗并干燥。接着，将基于厚度为100μm的八官能环氧树脂SU-8-2035(Shell Chemical)的负性光致抗蚀剂第一层通过旋涂沉积在衬底5上，接着通过在65℃加热5分钟，然后在95℃加热20分钟以蒸发所述溶剂。接着，将厚度为100μm的相同光致抗蚀剂的第二层通过旋涂沉积在第一光致抗蚀剂层上，接着在65℃加热5分钟，然后在95℃加热45分钟以蒸发所述溶剂。
图2B对应于所述方法的步骤c)，通过对应于所需印痕的掩模用365nm为中心的约500mJ/cm2的UV光照所述光致抗蚀剂。该图显示所述掩模，包含UV-透明的载体7和由铬沉积物形成的不透明区域7a。相同的掩模形成载体可以具有大量的对应于可以在单一批次中制造的尽可能多的结构体的区域，全部所述区域是通过微电子工业中的熟知工艺，即光刻法以非常高的外形分辨率获得的。
此UV辐照8引起曝光区域6b中树脂的光固化，未曝光的区域6a保持未固化。
图2C显示所述方法的步骤e)之后获得的结构体。将步骤c)之后获得的层在65℃退火1分钟接着在95℃退火15分钟，以便完成所述固化，然后将未曝光的光致抗蚀剂通过将其在15分钟通过三个连续的(增加纯度的)PGMEA浴而溶解，在异丙醇浴中漂洗并干燥。图2C显示叠加在衬底5上的固化的光致抗蚀剂模具6b。
图2D显示所述方法的步骤f)之后获得的结构体，即，在镍的电沉积之后，然后通过磨蚀和抛光平整，以便获得平坦上表面。该图显示固化的树脂模具6b和覆盖衬底5的电铸层9。
图2E显示在斜切操作期间，在所述方法的步骤h)期间获得的结构体。该图显示衬底5、金属结构体9、固化的树脂模具6b、斜边孔3a和用于斜切的铣刀10。
图2F，其对应于图1的剖视图，显示在权利要求2的步骤i)之后，即，在通过层离，从金属衬底脱离并且用N-甲基吡咯烷酮将固化的光致抗蚀剂脱模以后获得的弹簧。
实施例2用于手表机心的擒纵机构支座的制造图3A和3B显示包含顶面1、底面2、圆柱孔3、叉4和凹口5的支座。
图4A显示所述方法的步骤b)之后获得的结构体，所述的结构体包含覆盖衬底6的光致抗蚀剂层7。利用下面描述的方案获得该结构体。
将从1mm厚和150mm直径的不锈钢板形成的衬底6通过下面的方法脱脂并准备用于电铸用碱溶液脱脂，用酸溶液中和，以钝化它的表面，然后通过用蒸馏水漂洗，并干燥。接着，将基于厚度为70μm的八官能环氧树脂SU-8-2035(Shell Chemical)的负性光致抗蚀剂第一层通过旋涂沉积在衬底5上，接着通过在65℃加热3分钟，然后在95℃加热9分钟以蒸发所述溶剂。接着，将厚度为70μm的相同光致抗蚀剂的第二层通过旋涂沉积在第一光致抗蚀剂层上，接着在65℃加热5分钟，然后在95℃加热35分钟以蒸发所述溶剂。
图4B对应于所述方法的步骤c)，通过对应于所需印痕的掩模用365nm为中心的450mJ/cm2的UV光照所述光致抗蚀剂。该图显示所述掩模包含UV-透明的载体8和由铬沉积物形成的不透明区域8a。该UV辐照9光固化曝光区域7b中的树脂，未曝光的区域7a保持未固化。
图4C显示所述方法的步骤e)之后获得的结构体。将步骤c)之后获得的层在65℃退火1分钟接着在95℃退火15分钟，以便完成所述固化，，然后将未曝光的光致抗蚀剂通过将其在15分钟通过三个连续的(增加纯度的)PGMEA浴而溶解，在异丙醇浴中漂洗并干燥。该图显示衬底6上的固化的光致抗蚀剂模具7b。
图4D显示在进行下列步骤之后获得的结构体在固化的光致抗蚀剂模具的未遮盖部分中实施电镀镍的方法的步骤f)和g)，并且通过磨蚀和抛光平整以便获得平坦上表面，并且用基于环氧树脂SU-8-2035的两个相继的50μm的相同光致抗蚀剂层，重复步骤a)和b)，在第一层的情况下在65℃加热3分钟然后在95℃加热6分钟，在第二层的情况下在65℃加热5分钟然后在95℃下加热20分钟。图4D显示在衬底6的顶部，覆盖固化的光致抗蚀剂7b和电铸层10的光致抗蚀剂层11。
图4E对应于所述方法的步骤c)的重复(在步骤g)期间)，通过对应于所需印痕的新掩模用365nm为中心的约400mJ/cm2的UV光照所述光致抗蚀剂。该图显示所述掩模包含UV-透明的载体12和由铬沉积物形成的不透明区域12a。该UV辐照9光固化曝光区域11b中的树脂，未曝光的区域11a保持未固化。
图4F显示所述方法的步骤e)的重复(在步骤h)期间)之后获得的结构体。将步骤c)的重复之后获得的层在65℃退火1分钟然后在95℃退火15分钟，以便完成所述固化，然后将未曝光的光致抗蚀剂通过将其在15分钟通过三个连续的(增加纯度的)PGMEA浴而溶解，在异丙醇浴中漂洗并干燥。该图显示在衬底6顶部上，在第一固化的光致抗蚀剂模具7b和电铸金属层10顶部上的第二固化光致抗蚀剂模具11b。
图4G显示在所述方法的步骤f)和g)的重复(在步骤h)期间)之后获得的结构体。用相同的金属，即镍，以稍微大于预定厚度的量(10至30μm)进行第二电镀步骤，接着通过由磨蚀和抛光的平整以便获得平坦上表面。该图显示在衬底6顶部上，在第一固化模具7b和第一电铸层10顶部上的第二固化的树脂模具11b和第二电铸层13。
图4H，其对应于图3B的剖视图，显示在所述方法的步骤1)之后获得的支座，即在通过层离，将所述金属衬底脱离并且通过等离子体处理将固化的光致抗蚀剂除去之后。
图6显示插入物4的可移动的定位，所述插入物4由意欲保持束缚在金属层2中的手表机心轴承宝石组成，所述金属层2通过电铸沉积在金属衬底1上。为此，将终止于校准到宝石轴承4中的孔的直径的定位销钉3a中的定位构件3推入到衬底1中的定位孔1a中，使销钉3a突出在衬底1表面外。由此，可以将所述宝石精密地并在销钉3a上可移动地定位。宝石4的侧面具有凹槽4a，以便容许由电铸沉积的金属形成环形肋2a，所述的环形肋2a用于固定在电铸金属层2中的轴承。由此获得的精密度特别高，因为宝石4是通过它的孔而不是通过它的外缘居中的。此外，因为衬底1可以被再利用，所以它可以用非常精密的公差制造。
权利要求
1.一种用于以LIGA工艺制造至少一种单层或多层金属结构体的方法，其中将光致抗蚀剂层沉积在平坦金属衬底上，通过辐照或电子或离子轰击产生至少一个光致抗蚀剂模具，将金属或合金电镀在该模具中，将电铸的金属结构体从所述衬底脱离，并且从该金属结构体分离所述光致抗蚀剂，其中将所述金属衬底用作涉及形成金属结构体除了由所述衬底的平表面形成的表面以外的至少一个表面的媒介。
2.如权利要求1中所述的制造方法，所述制造方法包含下列步骤a)用光致抗蚀剂层涂覆块状金属衬底；b)如果必要，将所述光致抗蚀剂层加热以便蒸发所述溶剂；c)将所述光致抗蚀剂层通过对应于所需印痕的掩模而曝光于在365nm波长测量的100至2000mJ/cm2的UV辐照；d)如果必要，为了完成光固化或光解，将步骤c)以后获得的层退火；e)通过溶解未固化的或光解的部件而进行显影；f)在光致抗蚀剂模具的未遮盖部分中电沉积金属或合金，其中g)通过机械加工平整电铸的金属结构体，以便获得平坦上表面；h)如果必要，在电铸机械结构体的顶面上进行一种或多种其它机械加工操作；和i)通过层离，将所述金属结构体和固化的光致抗蚀剂从所述块状金属衬底脱离，并且将所述固化的光致抗蚀剂从机械加工的单层金属结构体分离。
3.如权利要求2中所述的方法，该方法用于以UV-LIGA工艺制造具有完全叠加层的多层机械加工金属结构体，其中，在步骤a)至g)之后h)重复步骤a)、b)、c)、d)和e)，并活化电铸金属未用固化的光致抗蚀剂覆盖的那个表面；i)重复步骤f)和g)；j)如果必要，重复最后步骤h)和i)；k)如果必要，在所述电铸机械结构体的顶面上进行一种或多种其它机械加工操作；和l)通过层离，将所述金属结构体和所述固化的光致抗蚀剂从所述块状金属衬底脱离，并且从具有叠加层的多层电铸金属结构体分离所述固化的光致抗蚀剂。
4.如在前权利要求之一中所述的方法，其中所述金属衬底由不锈钢制成。
5.如在前权利要求之一中所述的方法，其中所述衬底的表面是用微喷处理、化学或机械蚀刻、或用激光处理过的，以便获得所述电铸金属结构体的已修整表面的负片。
6.如在前权利要求之一中所述的方法，其中所述金属衬底具有抛光到对于所述电铸金属结构体的邻近面所希望的抛光程度的顶面。
7.如权利要求2至6之一中所述的方法，其中将用于定位附着于所述电铸金属结构体的元件的定位构件固定到所述衬底上，在步骤a)至e)之后，将所述附着的元件与所述定位构件可移动地连接，并且，一旦已经沉积所述电铸金属结构体，通过层离，将该金属结构体连同所述附着的元件和固化的光致抗蚀剂从所述金属衬底脱离。
8.如权利要求2至6之一中所述的方法，其中使至少一个螺纹孔通过所述金属衬底，在步骤a)至e)之后，将螺杆安置在所述螺纹孔中，使它延伸超过所述衬底的表面，沉积所述金属结构体，该螺杆是未拧紧的，并且通过层离，将所述金属结构体和固化的光致抗蚀剂从所述金属衬底脱离，以便获得具有至少一个螺纹孔的金属结构体。
9.如权利要求2和3任一中所述的方法，其中，在已经脱离所述金属结构体和固化的光致抗蚀剂之后，在脱离的金属结构体上进行蚀刻、表面处理和机械或激光标记操作。
10.一种如权利要求2中所述获得的单层机械加工的金属结构体，它是时钟机心部件，特别是弹簧。
11.一种如通过如权利要求7中所述的方法获得的单层机械加工金属结构体或具有完全叠加层的多层机械加工金属结构体，其包括插入物体。
12.一种如通过如权利要求8中所述的方法获得的单层机械加工金属结构体或具有完全叠加层的多层机械加工金属结构体，其包括螺纹孔。
13.一种如通过如权利要求3和4至8之一中所述的方法获得的具有完全叠加层的单层机械加工金属结构体。
14.如权利要求13中所述的结构体，所述结构体构成用于时钟机心的擒纵支座。
15.一种由权利要求5中所述的方法获得的金属结构体，其至少一个浮雕表面元件是在所述金属衬底上进行蚀刻的结果。
全文摘要
本发明涉及用于以LIGA工艺制造单层或多层金属结构体的方法，其中将光致抗蚀剂层沉积在平坦金属衬底上，通过辐照或电子或离子轰击产生光致抗蚀剂模具，将金属或合金电镀在该模具中，将电铸的金属结构体从所述衬底脱离，并且从该金属结构体分离所述光致抗蚀剂，其中将所述金属衬底用作涉及形成金属结构体除了由所述衬底的平表面形成的表面以外的至少一个表面的媒介。
文档编号G03F7/20GK101038440SQ20071008576
公开日2007年9月19日 申请日期2007年3月14日 优先权日2006年3月15日
发明者C·绍奇 申请人:岛尼尔公司