用於電鑄法的模具以及製造該模具的方法
2023-10-05 03:38:24 5
專利名稱：用於電鑄法的模具以及製造該模具的方法
技術領域：
本發明涉及用於使用電鑄法(電鍍，galvanoplasty)製造微機械部件的模具，以 及製造所述模具的方法。
背景技術：
電鑄法已被長期使用並為大家公知。LIGA類型的方法(已知的德語術語 "rontgenLIthographie, Galvanoformung&Abformung，，的縮寫)是最新的方法。所述方法 包括通過使用光敏樹脂利用光刻法形成模具，然後利用電鑄法在其中生長金屬沉積物例如 鎳。LIGA技術的精度遠好於例如通過機械加工獲得的常規模具的精度。因而，此精度允許 製造尤其用於鐘錶機芯的微機械部件，這在以前是不可想像的。但是，這些方法並不適合於具有高的長度直徑比的微機械部件，例如由包含例 如12%的磷的鎳-磷製成的同軸擒縱輪。這種部件的電解沉積物在電鍍期間由於電鍍的 鎳-磷中的內部應力而層離，這使得其在與基材的接口處分離。
發明內容
本發明的一個目的是通過提出一種替代性的模具來完全或部分地克服上述缺陷， 該模具可至少提供相同的製造精度，並且允許製造具有數個層面(水平面，level)和/或 高的長度直徑比的部件。因此，本發明涉及一種用於製造模具的方法，所述方法包括以下步驟a)在由矽基材料製成的晶片的頂部和底部上沉積導電層；b)使用粘接層將所述晶片固定到基材；c)從晶片的頂部除去所述導電層的一部分；d)以被從頂部的導電層除去的所述部分的形狀刻蝕所述晶片直至該晶片底部的 導電層，以便在所述模具中形成至少一個凹腔。根據本發明的其它有利的特徵-在步驟d)之後，該方法包括步驟e)在所述晶片的頂部的導電層上安裝一部件， 以在所述模具中形成第二層面；-步驟e)是通過利用光刻法構造光敏樹脂或者通過固定由矽基材料製成的被預 先刻蝕的部件實現的；_在步驟d)之後，該方法包括步驟f)在所述至少一個凹腔內安裝一桿，以在所述 部件中形成軸孔；-粘接層和底部的導電層是顛倒的；-粘接層包括光敏樹脂；_基材包括矽基材料；-該方法包括步驟d』)刻蝕基材直至頂部導電層，以在模具中形成至少一個凹 部。
-在步驟d』)之後，該方法包括步驟e』)在沉積到基材的頂部上的導電層上安裝 一部件，以在模具中形成附加層面。-在步驟d』)之後，該方法包括步驟f』 )在所述至少一個空腔中安裝一桿，以在部件中形成軸孔；-步驟d)包括以下階段g)使用光敏樹脂利用光刻法在還未被除去的頂部導電層 的部分上構造保護掩模，h)沿未被所述保護掩模覆蓋的部分執行晶片的各向異性刻蝕，以 及i)除去保護掩模；-步驟d)包括階段h』)使用頂部導電層作為掩模執行晶片的各向異性刻蝕，以在 被從所述導電層除去的部分中刻蝕晶片。-在相同基材上製造數個模具。本發明還涉及一種通過電鑄法製造微機械部件的方法，其特徵在於，所述方法包 括以下步驟j)根據前述變型之一的方法製造模具；k)通過將電極連接到由矽基材料製成的晶片底部的導電層上來執行電沉積，以在 所述模具中形成所述部件；1)從所述模具釋放該部件。最後，本發明有利地涉及一種用於通過電鑄法製造微機械部件的模具，其特徵在 於，所述模具包括基材、由矽基材料製成的部件，該部件安裝在所述基材上並且包括至少一 個凹腔，該凹腔顯露所述基材的導電錶面，使得能夠在所述至少一個凹腔中生長電解沉積 物。根據本發明的其它有利的特徵-該模具包括第二部件，所述第二部件安裝在第一部件上並且包括至少一個凹部， 所述凹部顯露所述第一部件中的至少一個凹腔和導電層，以便在所述至少一個凹腔已被填 滿之後在所述至少一個凹部中延續該電解沉積物；-該基材由矽基材料形成並且具有至少一個空腔，所述空腔顯露所述基材的導電 表面，使得能夠在所述至少一個空腔中生長電解沉積物；-該模具包括附加部件，所述附加部件安裝在基材上並且包括至少一個凹部，所述 凹部顯露基材中的導電錶面和至少一個空腔，以便在所述至少一個空腔已被充滿之後在所 述至少一個凹部內延續所述電解沉積物。
從下面參照附圖並且僅作為非限制性說明給出的描述中將更清楚其它特徵和優 點，在附圖中-圖1-7是根據本發明的製造微機械部件的方法的連續步驟圖；-圖8是根據本發明的製造微機械部件的方法的流程圖；-圖9-13是根據本發明的製造微機械部件的方法的最後的連續步驟。
具體實施例方式如圖8所示，本發明涉及通過電鑄法製造微機械部件41、41』的方法1。方法1優選地包括製造模具39、39』的方法3，隨後是電鑄步驟5以及從所述模具釋放部件41、41』的 步驟7。模具製造方法3包括製造模具39、39』的一連串步驟，該模具包括至少一個由矽基材料製成的部件21。在方法3的第一步驟9中，由矽基材料製成的晶片21在其頂部和底部 上塗覆有導電層，所述導電層在圖1中分別被標記為20和22。導電層20、22可包括例如金 或銅。在第二步驟11中，如圖2所示，在基材23的頂部塗覆粘接材料層24，該基材23也 可以是基於矽的。該粘接材料例如可以是未活化的光敏樹脂，或者更一般地為可容易去除 的光敏樹脂。在第三步驟13中，如圖3所示，使用覆蓋基材23的粘接層24至少臨時地固 定晶片21ο根據本發明的可選擇實施例，如下所述，粘合層24和底部導電層22可以顛倒。在第四步驟15中，如圖3所示，將晶片21頂部的導電層20除去一部分26以顯露 該晶片21的一部分。在第五步驟17中，對晶片21進行刻蝕，直至露出底部導電層22。根 據本發明，刻蝕步驟17優選地以與在步驟15中從導電層20除去的部分26相同的模式進 行。刻蝕步驟17優選地包括深反應離子刻蝕(DRIE)類型的各向異性幹侵蝕。根據步驟17的第一變型，將晶片21頂部的導電層20的材料選擇為用作防護掩 模。因此，當掩模20-晶片21組件受到各向異性刻蝕時，僅有晶片的未被保護的部分26被 刻蝕。在步驟17結束時，如圖4所示，由此在晶片21中獲得至少一個凹腔25，該凹腔的底 部部分地顯露底部導電層22。根據步驟17的第二變型，首先，使用光敏樹脂利用光刻法在晶片21上塗覆防護掩 模，該防護掩模優選地例如具有與被除去的部分26相同的形狀。其次，當對掩模-基材組 件進行各向異性刻蝕時，僅晶片的未被保護的部分被刻蝕。最後，在第三階段，除去防護掩 膜。在步驟17結束時，如圖4所示，由此在晶片21中獲得至少一個凹腔25，該凹腔的底部 部分地顯露底部導電層22。在圖8中以三重線示出的上述可選擇實施例中一其中粘接層24和底部導電層22 顛倒，在步驟18中不再需要在粘接層24中延續所述凹腔25以顯露所述底部導電層22。優 選地，此可選擇實施例中使用的材料是光敏樹脂，該光敏樹脂可被輻射以便延續凹腔25。在步驟17之後，本發明提出了兩個實施例。在圖8中由單線示出的第一實施例中， 在步驟17之後，模具製造方法3結束，緊接著以電鑄步驟5和從所述模具中釋放部件的步 驟7進行微機械部件製造方法1。電鑄步驟5通過將沉積電極連接到晶片21的底部導電層 22以便首先在所述模具的凹腔25中生長電解沉積物來實現，然後在步驟7中，從所述模具 中釋放在凹腔25中形成的部件。根據該第一實施例，很清楚，所獲得的微機械部件具有單個層面，其形狀為貫穿其 整個厚度都相同。根據圖8中由雙線示出的本發明的第二實施例，在步驟17之後為用於在模具39 中形成至少一個第二層面的步驟19。由此，通過在頂部導電層20的一個部分一未在步驟 15中未被除去的部分一上安裝部件27來實現該第二層面。部件27優選地例如通過使用光敏樹脂的光刻方法，在導電層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，如圖5所示，在步驟19中，優選地安裝一桿29，以便在電鑄期間立即形成用於微機械部件41的軸孔42。這不僅具有在電鑄結束後不需要對部件41進行機加工的優 點，還意味著可在孔42的整個高度上形成任何形狀的截面，而無論該孔是否均勻。杆29優 選是與部件27同時在步驟19中得到的，例如使用光敏樹脂利用光刻方法得到。在第二實施例中，模具39的製造方法3在步驟19之後結束，接下來通過電鑄步驟 5和從所述模具中釋放該部件的步驟7進行微機械部件製造方法1。如圖6所示，電鑄步驟5是通過如下操作實現的，即，將沉積電極連接到晶片21的 底部的導電層22上，以便首先在所述模具的凹腔25中生長電解沉積物，然後專門在第二階 段中在凹部28中生長電解沉積物。實際上，根據本發明有利的是，當電解沉積物與凹腔25的頂部部分平齊時，它與 導電層20電接觸，這使得沉積物能夠在整個凹部28中繼續生長。有利的是，本發明使得可 製造具有高長度直徑比的部件，即，其中凹腔25的截面遠小於凹部28的截面，從而即使對 於包含例如12%的磷的鎳-磷材料也可避免層離問題。由於在導電層20之下使用矽，在界面處的層離現象減少，這樣避免了由電解沉積 材料中的內部應力導致的分裂。根據第二實施例，製造方法1以步驟7結束，在該步驟中，從模具39釋放在凹腔25 中形成並然後在凹部28中形成的部件41。釋放步驟7例如可通過使層24層離或者通過刻 蝕基材23和晶片21實現。根據此第二實施例，如圖7所示，很清楚，所獲得的微機械部件 41具有兩個層面43、45，各層面具有不同的形狀以及完全獨立的厚度。此微機械部件41可例如是同軸擒縱輪或者擒縱輪43-小齒輪45組件，其不僅具 有微米量級的幾何精度，而且在所述層面之間具有理想的參照一即完美的定位。根據圖1-5以及圖8-13中的雙點劃線所示的方法1的第二變型，可在模具39添加 至少第三層面。根據所使用的可選擇方案或變型，第二變型直至步驟17、18或19都與上述 方法1相同。在圖9-13所示的示例中，將以圖8中由雙線示出的第二實施例作為起始點。優選地，根據此第二變型，基材23由矽基材料形成，並且被刻蝕以在模具39』中形 成空腔35。如優選從圖5和9之間可以看出的，為了在機械上承受方法1的該第二變型的步 驟，已在第一凹腔25的一部分內執行沉積33以提供比層22厚的導電層。優選地，通過起 始步驟5執行此沉積33，直至達到預定深度。但是，該沉積可根據不同方法執行。如在圖8中用雙點劃線示出的，方法1的第二變型將方法3最後的步驟17、18和 /或19應用於基材23。因此，在新步驟17中，基材23被刻蝕直至顯露導電層22。刻蝕步 驟17優選地包括深反應離子刻蝕(DRIE)優選地，首先如圖9所示，通過使用光敏樹脂的光刻法在例如包括穿孔部分36的 基材23上塗覆保護掩模30。其次，對掩模30-基材23組件進行各向異性刻蝕，其中僅該基 材的未被保護部分被刻蝕。第三，除去保護掩膜30。因而如圖10所示，在基材23中獲得至少一個空腔35，該 空腔的底部部分地顯露粘接層24。最後，第四，使空腔35延伸到層24中，並且可能還延伸 到層22中。用於粘接層24的材料優選地為光敏樹脂，其暴露於輻射下以延續空腔35。在步驟17結束時，可由此在基材23中獲得至少一個空腔，該空腔的底部部分地顯露導電層22 或者可能的沉積物33。當然，以與上述相似的方式，還可在基材23上而非光敏樹脂掩模30上沉積導電 層，該掩模的材料被選擇為其可用作保護掩模。類似地，在其中粘接層24和底部導電層22顛倒的前述可選擇方案的情況下，不再 需要將所述空腔35延續到粘接層24中以顯現導電層22或者可能的沉積物33。在方法1的第二變型的步驟17之後，本發明還可提供前述兩個實施例，即繼續進行電鑄步驟5和釋放步驟7，或者繼續進行步驟19以便在基材23上形成至少一個附加層 面。為簡化附圖，圖11-13是從第一實施例實現的。優選地，無論選擇哪個實施例，如圖11所示，在電鑄期間，都安裝一桿37以便在電 鑄期間直接形成用於微機械部件41』的孔42』。優選地，如果杆29和37分別形成在凹腔 25和空腔35中，則使它們對齊。優選地，例如使用光敏樹脂利用光刻方法獲得杆37。在新步驟17或19之後，通過將沉積電極連接到導電層22以執行電鑄步驟5，以便 如圖12所示，不僅在空腔35中生長電解沉積物，而且還在凹腔25中並然後專門在第二階 段在凹部28中延續沉積物33的生長。製造方法1以步驟7結束，在該步驟中如上所述從 模具39』釋放部件41』。根據該第二變型，如圖13所示，可清楚地看到所獲得的微機械部件41』具有至少 三個層面43』、45』和47』 一各層面具有不同的形狀以及完全獨立的厚度，並具有單個軸孔 42，。該微機械部件41』例如可以是同軸的擒縱輪43』、45』及其小齒輪47』，或者具有三 個齒層面43』、45』、47』的輪副，其不僅具有微米量級的幾何精度而且在所述層面之間具有 理想參照一即完美的定位。當然，本發明並不局限於所示的示例，而是可包括對於本領域技術人員明顯的各 種可選擇方案和變型。特別地，部件27可包括預先刻蝕的矽基材料，然後被固定在導電層 20上。此外，可利用同一基材23製造數個模具39、39』，以實現不一定彼此相同的微機械 部件41、41，的連續製造。類似地，即使在單一層面的第一實施例的範圍內，也可在凹腔25中形成杆29，以 便形成用於未來的部件41的軸孔42。還可設想將矽基材料換為結晶氧化鋁或結晶二氧化 矽或碳化矽。最後，在步驟9中形成的並然後在步驟15中被部分地穿孔的層20還可通過單個 的選擇性的沉積步驟15實現。此步驟15則可包括首先在沉積導電層20之前，沉積與界面 26形狀相同的犧牲層。其次，在該組件的頂部沉積導電層20。最後，在第三階段，除去該犧 牲層，並且附帶地除去其上沉積的導電層部分，這樣提供給了與圖3中可見的層相同的層 20。該步驟15已知為「拔起(剝離，lift-off) 」。
權利要求
用於製造模具(39，39』)的方法(3)，所述方法包括以下步驟a)在由矽基材料製成的晶片(21)的頂部(20)和底部(22)上沉積(9)導電層；b)使用粘接層將所述晶片固定(13)到基材(23)上；c)從晶片(21)的頂部除去(15)所述導電層的一部分(25)；d)以被從所述晶片的頂部的導電層(20)除去的所述部分的形狀(26)刻蝕(17)所述晶片，直至刻蝕到該晶片的底部的導電層(22)，以便在所述模具中形成至少一個凹腔(25)。
2.根據權利要求1的方法(3)，其特徵在於，在步驟d)之後，所述方法包括以下步驟e)在所述晶片的頂部的導電層(20)上安裝(19)一部件(27)，以在所述模具中形成第二層面。
3.根據權利要求2的方法(3)，其特徵在於，步驟e)是通過利用光刻法構造光敏樹脂 而實現的。
4.根據權利要求2的方法(3)，其特徵在於，步驟e)是通過固定由預先刻蝕的矽基材 料製成的部件(27)而實現的。
5.根據權利要求1的方法(3)，其特徵在於，在步驟d)之後，所述方法包括以下步驟f)通過光刻法在所述至少一個凹腔(25)中形成杆(29)，以在所述部件中形成軸孔 (42)。
6.根據權利要求1的方法(3)，其特徵在於，所述粘接層(24)和晶片底部的導電層 (22)是顛倒的。
7.根據權利要求1的方法(3)，其特徵在於，粘接層(24)包括光敏樹脂。
8.根據權利要求1的方法(3)，其特徵在於，基材(23)包括矽基材料。
9.根據權利要求8的方法(3)，其特徵在於，所述方法包括以下步驟d』)刻蝕(17)基材(23)直至底部的導電層(22)，以在模具(39』)中形成至少一個空 腔(35)。
10.根據權利要求9的方法(3)，其特徵在於，在步驟d』)之後，所述方法包括以下步驟e』)在沉積到基材(23)的底部的導電層上安裝一部件，以在模具(39』)中形成附加層
11.根據權利要求9的方法(3)，其特徵在於，在步驟d』)之後，所述方法包括以下步驟f』 )在所述至少一個空腔(35)中形成杆(37)，以在部件(41』 )中形成軸孔(42)。
12.根據權利要求1的方法(3)，其特徵在於，步驟d)包括以下階段g)使用光敏樹脂利用光刻法在還未被除去的頂部導電層的部分上構造保護掩模；h)在未被所述保護掩模覆蓋的部分上執行晶片的各向異性刻蝕；i)除去保護掩模。
13.根據權利要求1的方法(3)，其特徵在於，步驟d)包括以下階段h』 )使用頂部的導電層作為掩模執行晶片的各向異性刻蝕，以在被從所述導電層除去 的部分中刻蝕晶片。
14.根據權利要求1的方法(3)，其特徵在於，利用同一基材(23)製造數個模具(39，，39，)。
15.通過電鑄法製造微機械部件(41，41』)的方法(1)，其特徵在於，所述方法包括以下 步驟j)根據權利要求1的方法(3)製造模具(39，39』 )；k)通過將電極連接到由矽基材料製成的晶片(21)底部的導電層(22)上來執行(5)電 沉積，以便在所述模具中形成所述部件；1)從所述模具釋放(7)該部件(41,41' )o
16.用於通過電鑄法製造微機械部件(41，41』)的模具(39，39』)，其特徵在於，所述模 具包括基材(23)、由矽基材料製成的部件(21)，該部件(21)安裝在所述基材上並且包括至 少一個凹腔(25)，該凹腔顯露所述基材的導電錶面(22)，以便能夠在所述至少一個凹腔中 生長電解沉積物。
17.根據權利要求16的模具(39，39』)，其特徵在於，所述模具包括第二部件(27)，該 第二部件安裝在第一部件(21)上並且包括至少一個凹部(28)，所述凹部顯露所述第一部 件中的至少一個凹腔(25)和導電層(20)，以便在所述至少一個凹腔已被填滿之後在所述 至少一個凹部中延續該電解沉積物。
18.根據權利要求16或17的模具(39』)，其特徵在於，基材(23)由矽基材料形成並且 具有至少一個空腔(35)，所述空腔顯露所述基材的導電錶面(22)，使得能夠在所述至少一 個空腔中生長電解沉積物。
19.根據權利要求18的模具(39』)，其特徵在於，所述模具包括附加部件，所述附加部 件安裝在基材(23)上並且包括至少一個凹部，所述凹部顯露基材中的導電錶面和至少一 個空腔(35)，以便在所述至少一個空腔已被充滿之後在所述至少一個凹部內延續所述電解 沉積物。
全文摘要
本發明涉及一種用於製造模具(39，39』)的方法(3)，所述方法包括以下步驟a)在由矽基材料製成的晶片(21)的頂部(20)和底部(22)上沉積(9)導電層；b)使用粘接層將所述晶片固定(13)到基材(23)；c)從晶片(21)的頂部除去(15)所述導電層的一部分(25)；d)以被從頂部導電層(22)除去的所述部分的形狀(26)刻蝕(17)所述晶片直至其底部的導電層(22)，以便在所述模具中形成至少一個凹腔(25)。本發明涉及微機械部件尤其是鐘錶機芯的領域。
文檔編號C25D1/10GK101831673SQ20101013401
公開日2010年9月15日 申請日期2010年3月12日 優先權日2009年3月13日
發明者C·戈爾菲耶爾, J-P·蒂埃博, P·卡森 申請人:尼瓦洛克斯-法爾股份有限公司