通过UV-LIGA技术制造多层级金属部件的方法

摘要

一种用于制造多层级金属微结构的方法包括以下步骤：a)提供具有导电表面(2)的基板(1)；b)用第一光致抗蚀剂层(3)覆盖导电表面(2)；c)通过与所希望的凹腔对应的掩模(4)照射第一光致抗蚀剂层(3)；d)显影第一光致抗蚀剂层(3)，以便在其中挖出孔口并由此获得光致抗蚀剂模具的第一层级，在第一光致抗蚀剂层中的孔口显露出基板的导电表面(2)；e)在被显影的光致抗蚀剂层(3)上沉积新的光致抗蚀剂层(6)，以便覆盖被显影的光致抗蚀剂层并且填充其中的孔口；f)通过与所希望的凹腔对应的掩模(7)照射该新的光致抗蚀剂层(6)；g)显影该新的光致抗蚀剂层(6)，以便在其中挖出孔口并获得多层级光致抗蚀剂模具，该多层级模具中的孔口显露出基板的导电表面(2)；h)在该多层级光致抗蚀剂模具的孔口中电沉积金属或合金；i)分离基板(1)，然后去除光致抗蚀剂层，以便显露包括孔口中沉积的所述金属或合金的多层级金属结构(8)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过紫外(UV)光刻和电沉积技术制造多层级金属结构的方法。

背景技术

对应于上述定义的方法是已知的。特别地，在Journal ofMicroelectromechanical Systems(Vol.2，N deg.2，June 1993)中发布的、由A.B.Frazier et al.撰文的、标题为”Metallic Microstructures FabricatedUsing Photosensitive Polyimide Electroplating Molds”的文章描述了通过在由感光树脂层的光刻制成的聚酰亚胺模具中的电生长来制造多层级金属结构的方法。此方法包括以下步骤：

-在基板上创建牺牲金属层和触发层(起动层，priming layer)以用于后续电生长，

-散布感光聚酰亚胺层，

-利用UV辐射通过一掩模来照射该聚酰亚胺层，该掩模与待形成的结构的一个层级的轮廓相匹配，

-通过溶解未被照射的部分来显影该聚酰亚胺层，以便获得聚酰亚胺模具，

-通过电生长利用镍填充该模具至该模具的高度，并且获得大致平坦的顶面，

-通过真空电镀在整个顶面上沉积薄的铬层，

-在铬层上沉积新的感光树脂层，

-通过一新掩模照射该树脂层，该新掩模与待获得的结构的下一层级的轮廓相匹配，

-显影聚酰亚胺层以便获得新模具，

-通过电生长利用镍填充该新模具至模具的高度，

-将多层级结构和聚酰亚胺模具与牺牲层和基板分离，

-将多层级结构与聚酰亚胺模具分离。

将清楚的是，刚才描述的方法在理论上可重复实施以获得具有多于两个层级的金属结构。此方法的一个缺陷是，在每个电沉积步骤期间必须获得大致平坦的顶面。欧洲专利No.1,835,050中公开了此问题的一种解决方案，该欧洲专利教导了可以在电沉积步骤之后通过原地对金属结构和模具机械加工来获得所希望的平坦表面。但是，净化室中的机械加工设备的存在可能潜在地产生比其所解决的问题更多的问题。替代方案-其包括在机械加工设备和净化室之间实现回程-也与光刻和电沉积通常所必需的极端清洁度不相容。

欧洲专利No.0,851,295公开了在通过UV光刻制成的模具中制造多层级金属结构的另一种方法。此第二方法包括以下步骤：

a)在基板上创建牺牲金属层，

b)散布厚度为150～700微米的感光环氧树脂层，

c)在90°至95°的温度对所述层预烘烤一段时间，该时间取决于所沉积的厚度，

d)利用UV辐射通过一掩模照射树脂层，该掩模与待获得的结构的一个层级的轮廓相匹配，

e)对所述层进行后烘烤以导致聚合，

f)将步骤b)至e)重复至少一次，并且如果需要，根据用于构造新光致抗蚀剂层的所希望的轮廓，对于步骤d)使用不同的掩模，

g)通过溶解未被照射的部分来显影叠置的树脂层，以便获得环氧树脂模具，

ii)在模具的整个表面上形成初级金属化，然后通过电沉积完全覆盖模具以便形成多层级金属结构，

h)将基板与通过环氧树脂模具和金属结构形成的组件分离，

iii)将多层级结构与树脂模具分离。

此第二方法的一个优点是，在电沉积步骤之前完全制成树脂模具。因此之后可以在净化室之外执行对多层级金属结构的任何机械加工，而不存在任何污染净化室的危险。但是，此第二方法还具有一些缺陷。特别地，叠置树脂层在相同步骤中被显影。在这些状况下，第二光致抗蚀剂层的预烘烤步骤必然也构成第一层的后烘烤。因此，以最优方式调整烘烤的温度和持续时间是非常困难的。

发明内容

因此，本发明的一个目标是提供一种经由UV光刻和电沉积技术制造多层级金属结构的方法，其克服了现有技术的前述缺陷。本发明通过提供一种通过UV光刻和电沉积来制造多层金属微结构的方法实现了此目标，该方法的特征在于包括以下步骤：

a)提供具有导电表面的基板；

b)用第一感光树脂层覆盖基板的导电表面；

c)通过与所希望的造型(pattern)凹腔相匹配的掩模来照射第一感光树脂层；

d)显影第一感光树脂层，以便在其中挖出孔口，并由此获得树脂模具的第一层级，第一树脂层中的孔口显露出基板的导电表面；

e)在被显影的树脂层上沉积新的感光树脂层，以便覆盖被显影的树脂层并且优选地填充其中的孔口；

f)通过与所希望的造型凹腔相匹配的掩模来照射该新的感光树脂层；

g)显影该新的感光树脂层，以便在其中挖出孔口，并获得多层级树脂模具，该多层级树脂模具中的孔口显露出基板的导电表面；

h)直接转到步骤i)，或者如果需要，首先重复该方法的步骤e)至g)以便向多层级模具添加附加层；

i)在该多层级树脂模具的孔口中电沉积金属或合金；

j)分离基板，然后去除树脂层，以便显露由沉积在孔口中的所述金属或合金形成的多层金属结构。

将清楚的是，正如现有技术的第二方法，根据本发明，在单独一个电生长步骤(步骤j)中形成多层级金属部件。但是，根据本发明，形成光致抗蚀剂模具的各个树脂层被依次单独显影。因此，可对于顶层的预烘烤和底层的后烘烤单独地调整温度和持续时间。

根据本发明的方法的另一优点是，该方法允许在两个层级上获得共同的侧壁，而通过上述第一方法不能实现这一点。

本发明的另一优点是，不同于上述现有技术的第二方法，本发明的方法提供了对于不同层级使用具有不同性质的感光树脂的可能性。例如，可设想对于第一层级使用负性光致抗蚀剂，而对于第二层级使用正性光致抗蚀剂。这种可能性使得更容易制造具有复杂形状的某些结构。

根据第一实现变型，在步骤d)之后，该方法包括在先前步骤中显影的树脂层的剩余部分上形成导电表面的步骤。

可替代地，根据第二变型，在第一、感光树脂层上形成穿孔的导电表面的步骤可位于步骤b)和步骤c)之间或者位于步骤c)和步骤d)之间。根据另一变型，一旦已制成光致抗蚀剂模具，可在步骤g)和步骤h)之间形成导电层。

附图说明

参照附图从下文仅作为非限制性示例给出的描述中，根据本发明的方法的其它特征和优点将变得清晰，在附图中：

-图1至13示出相应于本发明的方法的具体实施例的方法的各步骤。

具体实施方式

根据本发明，该方法包括取用具有导电表面的基板的步骤。在附图所示的具体实施例中，基板1由在其上已预先气相沉积导电层2(图2)的硅、玻璃或陶瓷晶片(图1)形成。导电层2在随后的电沉积期间被用作触发层、即用作阴极。典型地，触发层2可由覆盖有金或铜层的铬或钛的底层形成。

根据未示出的一种变型，在沉积触发层2之前，首先在基板上真空电镀例如可由铝制成的牺牲层。此层的厚度典型地约为十分之一微米，并且其用于使得在方法结束时能够将多层级金属结构与基板分离。根据另一变型，相同的金属化层可实现牺牲层和触发层的双重功能。此外，作为真空电镀的替代，可使用电沉积作为形成牺牲层的技术。

可替代地，可由不锈钢板或其它金属形成基板。将清楚的是，在这些状况下，不必须沉积导电层。但是，通常必须在使用之前清洁触发表面。

下一步骤(图3)包括用第一、感光树脂层覆盖基板的导电表面。所使用的树脂优选为可从Shell Chemical得到的标号为SU-8的八官能化(octofunctional)环氧基树脂。此树脂还包含选自诸如美国专利No.4,058,401中描述的三芳基硫盐(triarylsulfonium salts)的光引发剂。此树脂形成负性光致抗蚀剂，其被设计成经由UV照射的作用而聚合。

可替代地，该感光树脂可以是正性光致抗蚀剂，其被设计成经由UV照射的作用而分解。将清楚的是，本发明并不限于若干特定类型的感光树脂。本领域技术人员将知道如何从适合于UV光刻的所有已知树脂当中选择适合于他们的需求的感光树脂。

可使用本领域技术人员已知的任何技术在触发层2上沉积树脂3，例如旋涂、通过滚筒施加或者甚至对于“固态”树脂通过层叠，等等。感光树脂层3的厚度典型地在150和600微米之间。根据该厚度和所使用的技术，可在一个或数个步骤中沉积树脂。

根据形成本发明的主题的本发明的具体实施例，在步骤b)之后，在90至95℃之间将树脂层3预烘烤足够的时间以蒸发溶剂。但是，本领域技术人员将清楚的是，根据所使用的树脂的性质，此预烘烤步骤不是必然需要的。

该方法的下一步骤(图4)包括利用UV辐射通过掩模4的孔口来照射树脂层，该掩模4限定了所希望的微结构的第一层级的轮廓。例如，可利用在365和410nm处具有强度峰值的对准器(未示出)来进行此UV辐射。辐射幅度取决于树脂的厚度。典型地，在365nm波长处测量的辐射幅度为200～1,000mJ/cm³之间。如必要的话，可以要求后烘烤步骤以完成由UV辐射引起的聚合。对于类似于此示例中使用的负性光致抗蚀剂，后烘烤步骤优选地在90至95℃之间执行15至30分钟。因而，被隔离的(被光致聚合的)区域3a变得对于大部分显影液不敏感。但是，随后可使用适合的显影液来溶解未被隔离的区域3b。

该方法的下一步骤(图5)包括显影感光树脂层3。在此示例中，所使用的光致抗蚀剂是负性的。在这些状况下，显影光致抗蚀剂是指化学地蚀刻树脂，以便溶解未被隔离的区域3b，并且在一些地方暴露出基板1的导电层2。但是，将清楚的是，在正性光致抗蚀剂的情况下，被隔离的区域3a被溶解。本领域技术人员将知道如何基于感光树脂制造者的指导为光致抗蚀剂显影步骤选择适合的显影液。根据一个有利变型，可以这样来完善该显影步骤，即，短暂暴露于等离子体以便适当地清洁树脂模具并且激活其表面以便为随后的步骤做准备。

该方法的下一步骤(图6)包括使在先前步骤中被显影的树脂层表面的剩余部分导电。为此，例如通过真空电镀来沉积金属化层5。

图6示出金属化层5优选地仅覆盖水平表面，从而侧壁保持绝缘。但是，在先前步骤中暴露的导电表面2的部分可以不被导电层5覆盖，而不会有损本方法。另外，根据未示出的一种变型，金属化可在垂直表面上以及在水平表面上进行。

此外，本领域技术人员对于选择可附着到光致抗蚀剂的将蒸发的金属、或者对于选择可被用作触发层5以用于随后的电沉积的金属，不会遇到任何特殊困难。例如，铬可满足两种条件。此外，存在本质上导电的光致抗蚀剂。应清楚，在此特定情况下，执行表面金属化不是必需的。

根据以上描述，在形成此示例的主题的实施例中，在该方法的步骤d)之后在感光树脂层上形成导电表面5。

可替代地，根据第二变型，在第一感光树脂层上形成导电表面的步骤可位于步骤b)和步骤c)之间，或者位于步骤c)和步骤d)之间。在步骤b)之后进行沉积的情况下，导电表面5或者在被沉积之后被穿孔，或者以所述预定穿孔被直接沉积，以便根据上文所述实现步骤c)，或者以便导电表面5用作实际的掩模4。在后一种情况下，因而清楚的是，树脂3必须为正性树脂。

在步骤c)之后进行沉积的情况下，导电表面5或者在被沉积之后被穿孔，或者根据与掩模4的穿孔匹配的所述穿孔被直接沉积，以便根据上文所述实现步骤d)。因此，清楚的是，如果在步骤b)或c)之后沉积导电表面5，则导电表面5仅存在于第一树脂3的顶部上，而不是如图6中所示还存在于导电表面2的一部分上。

根据另一变型，一旦已制成光致抗蚀剂模具，则可在步骤g)和步骤h)之间在孔口的底部处形成导电层。

该方法的下一步骤(图7)包括在被蒸发的金属层5上沉积新的感光树脂层6，以便覆盖该金属层5并且填充被显影的树脂层3中的孔口。对于此步骤，优选地，用来自新的层6的树脂很好地填充已经显影的树脂层3中形成的孔口。当使用旋涂器进行的沉积不能给出令人满意的结果时，可使用其它沉积技术来制成新的光致抗蚀剂层。例如，可用喷雾光致抗蚀剂对待覆盖的表面喷雾，例如Microchemicals GmbH的Ti喷雾，或者甚至使用已被预先稀释的常规正性光致抗蚀剂。还可通过光致抗蚀剂例如Shipley Ltd的PEPR 2400的电沉积来形成新的层6。

可替代地，也可在光致抗蚀剂没有穿过孔口的情况下，施加新的层6的光致抗蚀剂以覆盖层3。为了获得此结果，可例如使用“固态”树脂，该“固态”树脂例如可通过层叠而附着。

该方法的下一步骤(图8)包括利用UV辐射通过掩模7的孔口来照射新的树脂层6，该掩模7限定了所希望的微结构的第二层级的轮廓。此步骤要求掩模7与第一层级的孔口对准。本领域技术人员将知道如何实现此对准，例如通过使用对准标记来实现。

此外，图8示出根据本发明的方法可制成在两个层级(或更多层级)上升高的侧面。如上所述，根据所使用的光致抗蚀剂的性质，随后对组件执行后烘烤步骤，以完善由UV辐射引起的聚合。

该方法的下一步骤(图9)包括显影新的被照射的感光树脂层6。该技术可与用于显影第一光致抗蚀剂层的技术相同。显影树脂层6的步骤产生具有两个层级的树脂模具。根据一个变型，一旦此步骤已执行，可重复对应于图6至9的随后的步骤，以便在需要时获得具有三个层级的树脂模具。

该方法的下一步骤(图10)包括在多层级树脂模具的孔口中电沉积金属或合金。根据一个有利变型，在此步骤之前，使形成树脂模具的侧面的表面以及被金属化的水平表面活化。活化所述表面改进了电沉积的触发和规整性。典型地，用于电沉积的金属将从包括镍、铜、金和银，或者金-铜、镍-钴、镍-铁和镍-磷的组中选择。一般地，多层金属结构完全由相同的合金或金属制成。但是，也可在电沉积步骤期间改变金属或合金，以便获得包括不同性质的至少两个层的金属结构。本领域技术人员将知道如何根据将被沉积的金属或合金来确定电沉积的条件，尤其是浴液的组成、系统几何形状、电流电压和强度。例如，可参考Electroplating EngineeringHandbook，第四版中的Di Bari G.A.的“electroforming”(由L.J.Durney指导，Van Nostrand Reinhold Company Inc.，N.Y.，USA 1984出版)。

再次参考图9，可以看到树脂模具中的孔口并非全部具有相同深度。一些孔口暴露出基板1的导电层2，而其它孔口仅延伸至覆盖第一感光树脂层级3的导电层5。常规地，电沉积设备布置成保持基板的导电层2通电，从而导电层2起到类似阴极的作用。根据本发明，覆盖第一感光树脂层的导电层5优选地不连接到电压源。因此，在第一阶段，仅在导电表面2上执行电沉积。只有当电镀的金属层到达第一树脂层的高度，它才能与导电层5接触并且使所述层通电。由于此特征，电生长可在各孔口中同时进行，这意味着可制成具有较平坦表面的结构。

该方法的下一步骤(图11)包括将由聚合的光致抗蚀剂和在先前步骤中获得的多层金属结构形成的组件与基板分离。如果如上所述，基板带有在该方法开始时形成的牺牲层，则通过溶解该牺牲层来分离多层级金属结构(图11)(例如，如果该层由铝制成，则使用氢氧化钾溶液(KOH))。

根据所使用的材料，可简单地通过分层来分离多层级金属结构和树脂模具，而不必蚀刻和溶解牺牲层。当基板为固体金属晶片时尤其如此。

一旦多层金属结构和光致抗蚀剂已经与基板分离，则下一步骤(图12)包括去除感光树脂层以释放金属微结构。

根据未示出的一个变型，将多层级金属结构再次放置在浴液中以去除触发层2、5的剩余部分。

在形成此说明书的主题的示例中，该方法进一步包括最后步骤(图13)，该步骤包括通过研磨和抛光技术使多层结构的顶部部分变平。

还应清楚的是，在不背离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，对于形成本说明书的主题的实施例可做出本领域技术人员显而易见的各种变型和/或改进。