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，该方法包括以下步骤：
a)提供基材，该基材具有顶层和底层，所述底层和顶层由可微机械加工的导电材料制成并且通过电绝缘中间层相互连接(固定)；
b)在所述顶层中刻蚀至少一个图案(花样，结构)直至到达中间层，以便在所述模具中形成至少一个凹腔；
c)用电绝缘涂层涂覆所述基材的顶部部分；
d)定向刻蚀所述涂层和所述中间层，以便专门在形成于所述顶层中的每个垂直壁处限制该涂层和中间层的存在。
根据本发明的其它有利特征：
‑在步骤b)中刻蚀第二图案以形成至少一个凹部，所述至少一个凹部与所述至少一个凹腔连通并使所述顶层具有第二层面；
‑在步骤d)之后安装一部件以形成至少一个凹部，所述至少一个凹部与所述至少一个凹腔连通并使所述模具具有第二层面；
‑该方法包括最终步骤e)：在所述至少一个凹腔中安装一杆，以形成将在所述模具中制成的部件中的孔；
‑步骤b)包括阶段f)：在所述导电顶层上构造至少一个保护掩模，阶段g)：在未被所述至少一个保护掩模覆盖的部分上执行所述顶层的各向异性刻蚀；以及阶段h)：除去保护掩模；
‑在前述步骤之后，该方法包括步骤a’)：在所述至少一个凹腔的底部沉积导电材料；b’)：在所述底层上刻蚀图案直至到达所述导电材料的沉积物，以在所述模具中形成至少一个凹腔；以及c’)：用第二电绝缘涂层涂覆该组件；
‑在步骤c’)之后，该方法包括步骤d’)：定向刻蚀所述第二涂层，以便专门在形成于所述底层中的每个垂直壁处限制该第二涂层的存在；
‑在步骤b’)期间刻蚀第二图案以形成至少一个凹部，所述至少一个凹部与所述至少一个凹腔连通并使所述底层具有第二层面；
‑在步骤d’)之后安装一部件以便形成至少一个凹部，所述至少一个凹部与所述至少一个凹腔连通并且使所述模具具有第二层面；
‑该方法包括最终步骤e’)：在所述底层中的所述至少一个凹腔中安装一杆，以形成将在所述模具中制成的部件中的孔；
‑步骤b’)包括阶段f’)：在导电的顶层上构造至少一个保护掩模，g’)：在未被所述至少一个保护掩模覆盖的部分上执行所述顶层的各向异性刻蚀；以及阶段h’)：除去保护掩模；
‑在相同基材上制造数个模具；
‑导电层包括掺杂的硅基材料。
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：
i)根据前述变型之一的方法制造模具；
j)通过将电极连接到基材的导电的底层来执行电解沉积，以便在所述模具中形成所述部件；
k)从所述模具释放该部件。
最后，本发明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，所述基材具有顶层和底层，所述顶层和底层是导电的并且通过电绝缘的中间层相互固定，其中顶层包括至少一个凹腔，所述至少一个凹腔使所述基材的底层的一部分显露并且包括电绝缘的壁，使得在所述至少一个凹腔中可生长电解沉积物。
根据本发明的其它有利方面：
‑顶层还具有至少一个凹部，所述至少一个凹部与所述至少一个凹腔连通并且具有电绝缘壁，以便在所述至少一个凹腔已被充满之后在所述至少一个凹部中继续电解沉积；
‑底层包括至少一个凹腔，所述至少一个凹腔显露所述基材的电绝缘层的部分并且具有电绝缘壁，使得能够在所述底层的所述至少一个凹腔中生长电解沉积物；
‑该底层还包括至少一个凹部，所述至少一个凹部与所述底层的至少一个凹腔连通并且具有电绝缘壁，以便在所述底层中的至少一个凹腔已被充满之后在所述至少一个凹部中继续进行电解沉积。
【附图说明】
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是根据本发明第一实施例的制造微机械部件的方法的连续步骤图；
‑图8‑12是根据本发明第二实施例的制造微机械部件的方法的连续步骤图；
‑图13是根据本发明的制造微机械部件的方法的流程图；
‑图14‑19是根据本发明的变型的制造微机械部件的方法的连续步骤的图。
【具体实施方式】
如图13所示，本发明涉及使用电铸法制造微机械部件41、41’、41”的方法1。该方法1优选地包括制造模具39、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’、41”的步骤7。
模具制造方法3包括制造模具39、39’、39”的一系列步骤，该模具优选地包括硅基材料。
方法3的第一步骤10包括取来基材9、9’，该基材包括顶层21、21’和底层23、23’，所述顶层和底层由导电的、可微机械加工的材料制成，并且通过导电的中间层22、22’相互固定，如图1‑8所示。
优选地，基材9、9’是SOI(绝缘衬底上的硅)。此外，顶层21、21’和底层23、23’由结晶硅制成并且被充分掺杂以导电，所述中间层由二氧化硅制成。
根据本发明，方法3在步骤11之后包括两个不同的实施例，它们在图13中分别由三重线和单线表示。
根据第一实施例，在步骤11中，如图2所示，在导电顶层21上构造保护掩模15，然后构造掩模24。如图2还示出的，掩模15具有未覆盖顶层21的至少一个图案27。此外，优选地完全覆盖掩模15的掩模24具有未覆盖顶层21的至少一个图案26。
作为示例，掩模15可通过沉积二氧化硅层以便形成预定深度而制成。接下来，可例如通过使用光敏树脂覆盖掩模15而利用光刻法获得掩模24。
根据图13中由三重线示出的第一实施例，在第三步骤2中，刻蚀顶层21以显露中间层22。根据本发明，刻蚀步骤2优选地包括深反应离子刻蚀(DRIE)类型的各向异性干侵蚀。
在步骤2中，首先，以掩模24的图案26在顶层21中执行各向异性刻蚀。此刻蚀是在顶层21中在其厚度的一个部分中进行至少一个凹腔25的刻蚀的开始。其次，除去掩模24，然后以仍存在于顶层21上的掩模15的图案27进行第二各向异性刻蚀。第二刻蚀继续所述至少一个凹腔25的刻蚀，而且还开始了至少一个凹部28的刻蚀，该至少一个凹部与至少一个凹腔25连通但具有更大的截面。
在第四步骤4，除去掩模15。因此，如图3所示，在第四步骤4结束时，顶层21的整个厚度被刻蚀有至少一个凹腔25，并且其厚度的一部分被刻蚀有所述至少一个凹部28。
在第五步骤6中，如图4所示，沉积电绝缘涂层30，该涂层覆盖基材9的整个顶部。优选地通过氧化被刻蚀的顶层21和中间层22的顶部得到该涂层30。
在第六步骤8中，执行涂层30和中间层22的定向刻蚀。步骤8用于专门在形成于顶层21中的每个垂直壁‑即所述至少一个凹腔25的壁31和所述至少一个凹部28的壁32‑处限制绝缘层的存在。根据本发明，在定向或各向异性刻蚀期间，通过调制例如RIE反应器中的室压力(非常低的工作压力)，刻蚀现象的垂直分量相对于水平分量得到偏重。此刻蚀例如可以是离子铣削或溅射刻蚀。
通过执行步骤8，如图5所示，可清楚地看到，凹腔25的底部显露导电的底层23，并且凹部28的底部显露也导电的顶层21。
为了改进未来的电铸的粘合，可在每个凹腔25的底部和/或凹部28的底部提供粘接层。该粘接层因此可由金属例如CrAu合金组成。
优选地，在第六步骤8期间，如图5所示，紧接电铸步骤5期间，安装一杆29以形成用于微机械部件41的轴孔42。这不仅具有当电铸完成后避免对部件41机加工的优点，而且意味着可在孔42的整个高度上实现任意形状的内部截面，而无论该孔是否均匀。优选地，杆29例如使用光敏树脂利用光刻法获得。
在第一实施例中，在步骤8之后，制造模具39的方法3结束，接下来以电铸步骤5和从模具中释放部件41的步骤7进行微机械部件制造方法1。
电铸步骤5通过如下操作实现：将沉积电极连接到模具39的底层23，以便首先在所述模具的凹腔25中并然后在第二阶段中仅在凹部28中生长电解沉积物，如图6所示。
实际上，有利地，根据本发明，当电解沉积物与凹腔25的顶部部分平齐时，其可通过粘接层与顶层21电接触，这使得沉积物能够继续生长超出整个凹部28。有利的是，本发明使得可制造具有高长度直径比的部件41，即，其中凹腔25的截面远小于凹部28的截面。这样，即使对于包含例如12％的磷的镍‑磷材料，也可避免层离问题。
由于对于导电层21、23并且可能对于它们的粘接层使用硅，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。
根据第一实施例，制造方法1以步骤7结束，在该步骤中，将形成在凹腔25以及凹部28中的部件41从模具39释放。释放步骤7例如可通过刻蚀层23和21而实现。根据此第一实施例，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，而且包括单个轴孔42。
该微机械部件41可例如是同轴擒纵轮或者擒纵轮43‑小齿轮45组件，它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‑即完美的定位。
根据本发明的第二实施例，方法3具有第二步骤11，该第二步骤包括在导电顶层21’上构造至少一个保护掩模24’，如图8所示。图8还示出，掩模24’包括至少一个图案26’，该图案不覆盖顶部部分21’。该掩模24’可例如通过使用光敏树脂利用光刻法得到。
在第三步骤12中，对顶层21’进行刻蚀直至显露出中间层22’。根据本发明，刻蚀步骤12优选地包括深反应离子刻蚀(DRIE)类型的各向异性干侵蚀。在顶层21’中以掩模24’的图案26’执行各向异性刻蚀。
在第四步骤14中，除去掩模24’。因此，如图9所示，在第四步骤14结束时，在顶层21’的整个厚度上刻蚀有至少一个凹腔25’。
在第五步骤16中，沉积电绝缘涂层30’，该涂层覆盖基材9’的整个顶部，如图10所示。涂层30’优选地通过将被刻蚀的顶层21’和中间层22’的顶部氧化而获得。
根据第六步骤18，涂层30’和中间层22’是被定向刻蚀的。步骤18用于专门在形成于顶层21’中的各垂直壁‑即所述至少一个凹腔25’的壁31’‑处限制绝缘层的存在。通过执行步骤18并且如图11所示，很清楚，凹腔25’的底部显露导电底层23’以及同样导电的顶层21’的顶部。
如在第一实施例中的，为改进未来的电铸的粘合，可在每个凹腔25’的底部和/或顶层21’的顶部提供粘接层。该粘接层可由金属例如CrAu合金组成。
在第六步骤18期间，如针对图1‑7的第一实施例所说明的，可在电铸步骤5中立即(直接)安装一杆，以便形成用于微机械部件的轴孔，其具有与前述优点相同的优点。
在第二实施例中，在步骤18之后，制造模具39’的方法3结束，并且以电铸步骤5和从模具39’中释放微机械部件的步骤7继续进行微机械部件制造方法1。
电铸步骤5通过如下操作实现：将沉积电极连接到模具39’的底层23’，以在所述模具39’的凹腔25’中生长电解沉积物。
根据第二实施例，制造方法1以步骤7结束，该步骤7类似于实施例1中所说明的，并且在该步骤中将形成在凹腔25’中的部件从模具39’释放。根据此第二实施例，很清楚，所获得的微机械部件贯穿其整个厚度具有相同形状的单个层面，并且可包含轴孔。
此微机械部件可例如是具有微米量级的几何精度的擒纵轮、擒纵棘爪或者甚至是小齿轮。
根据图13中由双线示出的第二实施例的替代方案，在步骤18之后，制造模具39’的方法3包括如图12所示在模具39’中形成至少第二层面的附加步骤20。因此，第二层面是通过在顶层21’上安装一部件27’形成的，该部件27’包括电绝缘壁32’，该顶层21’在步骤12期间是未被移除的。
优选地，所添加的部件27’例如通过使用光敏树脂利用光刻法形成具有比被除去的部件25’大的截面的至少一个凹部28’。但是，部件27’也可包括被预先刻蚀并然后固定到导电层21’上的绝缘的硅基材料。
因此，根据第二实施例的替代方案，在步骤20之后，制造模具39’的方法3结束，并且微机械部件制造方法1以电铸步骤5和从模具39’中释放部件41’的步骤7继续进行。
电铸步骤5通过如下操作实现：将沉积电极连接到模具39’的底层23’，以便首先在所述模具的凹腔25’中并且然后在第二阶段中仅在凹部28’中生长电解沉积物，如图12所示。
实际上，有利地，根据本发明，当电解沉积物与凹腔25’的顶部部分平齐时，它可以通过其粘接层与顶层21’电连接，这使得沉积物能够继续生长以至整个凹部28’。有利的是，本发明使得可制造具有高长度直径比的部件41’，即，凹腔25’的截面远小于凹部28’的截面。这样，即使对于包含例如12％的磷的镍‑磷材料，也可避免层离问题。
由于对于导电层21’、23’并且可能对于它们的粘接层使用硅，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。
根据第二实施例替代方案，制造方法1以步骤7结束，如在第一实施例中所说明的，在该步骤中释放模具39’中的部件41’。如图12所示，很清楚，所获得的微机械部件41’具有两个层面，各层面具有不同的形状以及完全独立的厚度，而且它们可包括单个轴孔42。此微机械部件41’可从而具有与通过第一实施例获得的部件41相同的形状，因此，该微机械部件41’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‑即完美的定位。
根据从图14‑19中可见的方法1的两个实施例的变型(图13中由双点划线示出)，也可将方法3应用于底层23、23’，向模具39、39’添加一个或两个其它的层面。为避免使附图过于复杂，下面详细说明一个示例，但是很清楚，底层23、23’还可根据上述第一和第二实施例(包括或不包括变型)改变。
取决于所使用的实施例，该变型在步骤8、18或20之前与上述方法1相同。在图14‑19所示的示例中，将以图13中由三重线示出的第一实施例的示例作为方法1的起始点。
优选地，根据此变型，将刻蚀底层23以在模具39”中形成至少一个第二凹腔35。如可优选从图5和14之间看出的，已经在第一凹腔25的一部分中形成沉积物33以提供电铸开始层。优选地，此沉积物33在步骤5开始，直至达到预定深度。但是，此沉积可根据不同的方法执行。
如图13及图14‑19中由双点划线示出的，方法1的变型将方法3的第二实施例的步骤11、12、14、16和18应用于底层23。
因此，根据该变型，方法3包括新步骤11，该步骤包括如图15所示在导电底层23上构造至少一个掩模34。如图15还示出的，掩模34包括未覆盖底层23的至少一个图案36。此掩模34例如可通过使用光敏树脂利用光刻法获得。
接下来，在新步骤12中，按图案36刻蚀层23，直至导电沉积物33被显露。然后，在新步骤14中除去保护掩模34。因此，如图16所示，在步骤14结束时，底层23在整个厚度上被刻蚀有至少一个凹腔35。
在新步骤16中，沉积电绝缘涂层38，如图17所示，该涂层38覆盖基材9”的整个底部。涂层38优选地例如通过使用气相沉积在底层23的顶部上沉积二氧化硅得到。
如果向模具39”添加单个层面，则优选不需要新步骤18。否则，执行涂层38的定向刻蚀。新步骤18可用于专门在形成于底层23中的各垂直壁39‑即所述至少一个凹腔35的壁‑处限制绝缘层的存在。在图14‑19的示例中，仅执行新步骤18以除去所述至少一个凹腔35的底部中的氧化层。
在新步骤18中，如前所述，可安装一杆37，以便在电铸步骤5期间立即在微机械部件41’中形成轴孔42”，其具有如前所述的优点。
在方法1的变型中，在步骤18之后，制造模具39”的方法3结束，并且微机械部件制造方法1以电铸步骤5和从模具39”中释放部件41”的步骤7继续进行。优选地，如果分别在凹腔25和35中形成杆29和37，则使它们对齐。杆37优选地例如通过使用光敏树脂利用光刻法得到。
在新步骤8、18或20之后，通过如下操作执行电铸步骤5，即，将沉积电极连接到底层23，以便如图18所示，在凹腔35中生长电解沉积物，并且继续凹腔25中进行沉积物的生长，然后在第二阶段中仅在凹部28中生长电解沉积物。制造方法1以步骤7结束，如上所述，在该步骤中从模具39”释放部件41”。
根据此变型，很清楚，如图19所示，所获得的微机械部件41”具有至少三个层面43”、45”和47”，各层面具有不同的形状和完全独立的厚度，并且具有单个轴孔42”。
此微机械部件例如可以是具有小齿轮47”的同轴擒纵轮43”、45”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‑即完美的定位。
当然，本发明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方案和变型。因此，可在同一基材9、9’、9”上制造数个模具39、39’、39”以实现不一定彼此相同的微机械部件41、41’、41”的连续制造。另外，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。