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CN1182952C - 微结构及其制造方法 - Google Patents

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CN1182952C
CN1182952C CNB981150403A CN98115040A CN1182952C CN 1182952 C CN1182952 C CN 1182952C CN B981150403 A CNB981150403 A CN B981150403A CN 98115040 A CN98115040 A CN 98115040A CN 1182952 C CN1182952 C CN 1182952C
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Abstract

一种制造一个微结构的方法，包括首先制备一个包括第一膜和紧贴在第一膜上的第二膜的叠层基底，第二膜是用可以被同步辐射光所蚀刻的材料制成。一个带有一种图形的掩模件紧贴在层叠结构的第二膜的表面上或者与第二膜表面保持一段距离，掩模件的图形是由同步辐射光不能透过的材料制成。然后使同步辐射光通过掩模件照射在第二膜的部分表面上以便将照射到的部分侵蚀掉并且将第一膜的部分表面区域暴露在一个蚀刻区域的底部上。

Description

微结构及其制造方法
本申请是以1997年6月19日提出的日本专利申请平-9-163148为基础，该申请的整个内容通过引用结合在本文中。
本发明涉及一种微结构及其制造方法，更具体地说，涉及微型机械和适于制造这种微型机械的制造方法。
作为用于微结构的制造方法目前已知的有平版印刷电铸成型(LIGA)技术。下面简单地描述一下这种常规的LIGA技术。
一个光刻胶膜形成在一个导体支承基底上。这个光刻胶膜通过使用一个具有高对比度的LIGA掩模使其局部地暴露于X光下，然后再予以显影和形成图形。光刻胶膜被除去的区域通过电铸填充以金属。当光刻胶膜除去后，一个用金属制成的微结构就形成了。
使用LIGA技术使一个光刻胶膜暴光和显影一般需要数小时。还需要一个具有高对比度的光刻胶掩模。
本发明的一个目的是提供一种能够缩短加工时间的制造一个微结构的方法。
本发明的另一个目的是提供一种用不同材料的组合制成的复合微结构。
根据本发明的一个内容，所提供的制造一个微结构的方法包括下列步骤：制备一个包括一个第一膜和一个紧贴在第一膜上的第二膜的双层的叠层基底，该第二膜是用一种可以被同步辐射光所蚀刻的材料制成；将一个带有一种图形的掩模件紧紧贴靠在一个叠层结构的第二膜的表面上或者与第二膜表面保持一段距离，掩模件的图形是由同步辐射光基本上不能透过的材料制成的；然后使同步辐射光通过掩模件照射在第二膜的部分表面区域上以便将同步辐射光所照射到的第二膜部分侵蚀掉并且将第一膜的部分表面区域暴露在一个蚀刻区域的底部上。
由于第二膜是通过照射辐射光而被蚀刻掉的，因此加工时间要比使用暴光和显影过程的LIGA技术缩短。
根据本发明另一个内容，所提供的微结构包括：一个由对辐射光具有抗蚀能力(与聚四氟乙烯的抗蚀能力不同)的材料制成的第一膜；一个紧密接触在第一膜上并由聚四氟乙烯制成的第二膜，该第二膜被配以图形，而第一膜的一个表面暴露在第二膜的图形没有形成的一个区域内。
通过使用这种微结构就可以制成一个用塑料制成的微型机械。
根据本发明的又一个内容，所提供的微结构包括：一个具有一个通孔的聚四氟乙烯膜；和一个填充该通孔的金属件。
一个微结构可以通过对该结构的每一区域各选择一种材料以便能满足该区域所要求的机械和电的特性。
如上所述，通过使用辐射光就有可能进行微加工。在一个微结构的微空间中填入另一种材料就能形成一种微复合材料。
图1A是一幅示意图显示出本发明各实施例所使施用的作业法，而图1B和1C是该作业法的示意横截面图。
图2是图1A至1C中所示的作业法使用的驱动机构的前视图。
图3A至3F是说明根据本发明第一实施例的制造一个微结构的方法过程的横截面图。
图4A至4C是说明根据第一实施例改进的制造一个微结构的方法过程的横截面图。
图5A至5C是说明根据本发明第二实施例的制造一个微结构的方法过程的横截面图。
图6A至6C是说明根据本发明第三实施例的制造一个微结构的方法过程的横截面图。
图1A是一幅示意图显示出根据各实施例的制造一个微结构的方法所使施用的作业法。沿着积聚在一个同步加速器中的电子轨道的光轴发射出一条同步辐射光(SR光)。一个工件4放置在光轴5上离辐射光源一个距离L处。在工件4的前方，一个掩模3设置在一个距离G处。电子轨道1，工件4和掩模3都装在同一个真空室内。
掩模3具有基本上透不过SR光的区域和基本上能透过SR光的区域。一个基本上能透过SR光的区域就是透过该区域的SR光对经过的工件具有足够的强度可以进行加工的区域，而一个基本上不能透过SR光的区域，就是SR光不能透过或者即使透过了，该SR光也被减弱至其强度不足以对工件进行加工的区域。
用在这些实施例中的掩模是用10至100μm厚度的铜板制成，并具有一个规定的微量组分的图形。掩模也可以不用铜而用其它金属制成。该掩膜的厚度可以是大约2至10μm。
SR光2照射在工件4的表面上。凡经过SR光照射的工件4的表面区域通过蚀刻可被除去。通过在掩模3表面上形成微型图形(micropattern)，工件4的表面上就可以加工成具有一个微型图形。
图1B是一个加工装置的横截面图。一个样品支承台14安装在一个真空室20内。一个工件4放在样品支承台14的样品支承表面上。一个掩模3通过一个掩模夹持器17设置在工件4的前方。掩模3可以与工件4的表面相接触，或者与其隔开一些距离。在对工件4进行加工时，SR光穿过掩模3从图1B的左侧照射在工件4的表面上。
样品支承台14是由例如陶瓷制成的，并在其内埋置有一个加热器8。加热器8的引线连接在穿过真空室20的壁部的终端的一个端头上，而终端的另外的端头通过电缆连接到电源7上，该电源对加热器8供应电流。当电流流过加热器8时，工件4就被加热。
一个热电偶23装在样品支承台14的样品支承表面上。热电偶23的引线经由一个引线输出口22延伸至真空室20的外面，并连接在一个温度控制器9上。引线输出口22例如由焊料所密封。这个温度控制器9控制着电源7以调节流过加热器8的电流量并将样品支承表面的温度调节至规定的温度。
图1C显示出样品支承台的结构的另一个例子。一个气体流动通道16形成在样品支承台15的内部。规定温度的气体流过气体流动通道16以与工件4进行热交换从而使工件保持规定的温度。
图2显示出一个用于工件4和掩模3的Z轴方向传动机构。一个样品支承台14安装在传动机构10上，而其样品支承表面大致垂直于SR光2的光轴方向(Y轴方向)。工件4安装在样品支承台14的样品支承表面上，而掩模3安置在离工件4表面的一个距离G处。
传动机构10具有手柄11，12和13。当手柄11转动时，样品支承台14就沿着上下方向(如图2中的Z轴方向)移动。手柄11通过使用步进电动机而转动以使支承台以规定的恒定速度移动。
当手柄12和13转动时，样品支承台14以垂直于附图页张的方向(X轴方向)和Y轴的方向移动。使用这些手柄12和13，样品支承台14的位置可以精密地在X和Y轴的方向上予以调整。
在手柄11通过使用步进电动机而转动的同时使SR光2照射在工件4的表面上，使工件4沿着Z轴方向移动因而就可以容易地加工相当大的面积。
下面将参照图3A至3F对本发明的第一实施例的微结构的制造方法予以描述。
如图3A中所示，所制备的基底30是一个金属膜31和一个紧紧地耦合在金属膜31上的聚四氟乙烯膜32的层叠物。例如，该基底30可以通过电铸法将一个Ni膜和一个Cu膜淀积在一个聚四氟乙烯膜上，或者将一个聚四氟乙烯膜放置在一块Cu板上经过加热和加压使它们通过融化而粘合。在这实施例中，金属膜31的厚度是20μm，而聚四氟乙烯膜32的厚度是300μm。
一个掩模件33安置在离聚四氟乙烯膜32一个预定的距离处。掩模件33是一块不锈钢板，其上具有多个宽度为100μm的缝隙，缝隙之间的间距为200μm。
SR光34是通过掩模件33照射在聚四氟乙烯膜32上的。聚四氟乙烯膜32上凡是经SR光照射过的区域都被蚀刻并去除了。因为金属膜31不会被侵蚀，当金属膜31的表面暴露出来时蚀刻就停止了。
300μm厚的聚四氟乙烯膜32的整个厚度在200℃的基底温度下通过暴露于具有大约6×1015photons/s·mm2的光子密度的SR光大约需要十分钟被蚀刻掉。但是使用通常的LIGA技术，对于一个具有大约300μm厚度的光刻胶膜需要大约2至3小时的暴光和大约2至3小时的显影。在本实施例中，就有可能以很短的时间来对一个聚四氟乙烯完成加工。
图3B显示出部分暴光的金属膜31的表面。聚四氟乙烯膜32上形成有与掩模件33的缝隙相对应的凹槽35。
如图3C中所示，诸如Cu、Ni和Pt的金属通过电铸法淀积在暴露在凹槽35底部的金属膜31的表面上。凹槽35因此被充填以例如Cu、Ni和Pt的金属材料。
SR光或电子束在左面照射聚四氟乙烯膜32。如果用SR光照射，聚四氟乙烯膜32就被蚀刻，而用电子束照射，则聚四氟乙烯膜32的质量就会降低而变成粉末状的物质因而聚四氟乙烯膜32就能容易地被去除。
图3D是一幅横截面图显示出聚四氟乙烯膜32去除之后的基底。金属件36被留在金属膜31上。金属件36以一个100μm的间距布置在金属膜上，每件有一个大约为200μm的宽度。一个用金属制成的微结构就此形成了。
如图3E中所示，一种塑料37a流在金属膜31的表面上以模制塑料37a。当塑料37a被从金属膜31上剥离时，一个用塑料制成的微结构37就形成了。
下面将参照图4A至4C对根据第一实施例改进的微结构的制造方法予以描述。
如图4A中所示，一个用Cu或类似物质制成的金属膜40在如图3A中所示的同样的层叠基底30的聚四氟乙烯膜32表面上淀积至一个2至20μm的厚度。一个抗蚀图形41形成在金属膜40上。该抗蚀图形41是通过一个光掩膜镀上一层抗蚀膜经过暴光和显影而形成。该暴光是使用可见光或紫外线光完成的。该光掩模可以是在这领域中通常使用的掩模，例如用Cr图形形成的玻璃基底。
通过使用抗蚀图形41作为掩模，金属膜40被蚀刻形成多个开孔。当这些开孔形成之后，抗蚀图形41就被除去。
图4B是一幅当抗蚀图形41除去后的基底30和金属膜40的横截面图。然后，SR光42照射在层叠基底30的表面上。暴露在金属膜40的开孔中的聚四氟乙烯膜32被蚀刻了。
图4C是当聚四氟乙烯膜32被蚀刻之后的基底30的金属膜40的横截面图。在金属膜40除去后，一个类似于图3B中所示的微结构就形成了。
在图3A描述的方法中，掩模件33是一块带有缝隙的金属片。如果需要形成一个隔离的光遮蔽区域，则图3A中所示的掩模件33不能使用。在这种情况下，可以使用另一种掩模件，这种掩模件具有一个用能透过SR光的材料例如SiC制成的薄膜和一个用能挡住SR光的材料例如Ti制成的图形形成在该薄膜上。然而，这些掩模材料比较贵而且机械强度比较弱不易处理。
在图4A至4C所示的方法中，一个图形通过使用一个对可见光或紫外线光的寻常掩模被转移至金属膜40上。因此，这方法具有价廉和易于处理的优点。此外，由于金属膜40紧贴在聚四氟乙烯膜32上，就很容易形成一个隔离的光遮蔽区域。
下面将参照图5A至5C对本发明第二实施例的微结构的制造方法予以描述。
图5A中所示的层叠基底30与图3B中所示的第一实施例的有着相同的结构。
如图5B中所示，一种塑料45a流入在基底30的表面上以模制该塑料45a。当塑料45a从基底30上剥离，一个用塑料制成的微结构45就形成了如图5C中所示。
在第一实施例中，金属膜31和通过电铸法形成在金属膜31上的微金属件36就被用作为一个模具。如果不用这个，那么如在第二实施例中，形成在金属膜31表面上的已加工过的聚四氟乙烯膜32也可以用作一个模具。
在第一和第二实施中，一个聚四氟乙烯膜被用作一种材料以便加工成一个微形状。凡是能够用SR光蚀刻的其它材料也可以使用，例如NaCl，LiF和类似的结晶材料。
下面将参照图6A至6C对本发明第三实施例的微结构的制造方法予以描述。
图6A中所示的层叠基底30与图3C中所示第一实施例的具有相同的结构。在基底30底部上的金属膜31被除去。如果金属膜31是用Cu制的，它可以通过蚀刻使用例如硫酸而被除去。当金属膜31被蚀刻时，聚四氟乙烯膜32的对置表面被盖以一层保护膜或类似物。
如果金属膜31对金属件36的蚀刻选择比率较小，蚀刻就在控制蚀刻时间的情况下完成并且当金属膜31的整个厚度被除去后停止。如果金属膜31对金属件36的蚀刻选择比率能够大一些，则金属膜31可以很容易地被蚀刻和去除而不受严格的时间控制。
图6B是显示图6A中的金属膜31除去后的结构的横截面图。随着金属件36被填入在聚四氟乙烯膜32的间隙中就形成了一个精密的复合材料。例如，一种复合材料可以被形成，它具有要求抗化学物质的区域(由聚四氟乙烯制成)和要求有机械强度或导电性的区域(由金属制成)。
在图6B中所示的工艺中，虽然金属膜31被完全去除了，但它可以局部地被蚀刻。
图6C显示另一种结构，其中金属膜31被局部地蚀刻使其局部地留在相当于金属件36的区域和其圆周的区域内。通过局部地蚀刻金属膜31，聚四氟乙烯区域和金属区域之间的粘附力可以增强而各金属区域之间的绝缘仍旧维持。
如果并不需要保证各金属区域之间的绝缘，则金属膜31也并不一定要去除。
在上述实施例中，具有大约300μm厚度的聚四氟乙烯膜被进行加工。该厚度并不受此所限。然而，如果工件太厚将需要化费较长的加工时间，因此，工件厚度的适当范围是不要大于3000μm。
如果一个微结构被用作一个微型机械，这个结构就要求多少具有一定的机械强度。因此最好将工件的厚度设定在30μm或更厚一点。然而，如果该微结构并不要求具有机械强度，其厚度就不受限制。
本发明是联系着优选实施例予以描述的。但本发明并不仅限于上述实施例。很明显，各种修正、改良、组合等都可以由熟悉本技术领域的普通技术人员做出。

Claims (19)

1.一种制造微结构的方法，该方法包括下列步骤：
制备一个包括一个第一膜和一个紧贴在第一膜上的第二膜的双层的叠层基底，该第二膜是用一种可以被同步辐射光所蚀刻的材料制成；
将一个带有一种图形的掩模件紧紧贴靠在一个叠层结构的第二膜的表面上或者与第二膜表面保持一段距离，掩模件的图形是由同步辐射光基本上不能透过的材料制成的；和
使同步辐射光通过掩模件照射在第二膜的部分表面区域上以便将同步辐射光所照射到的第二膜部分侵蚀掉并且将第一膜的部分表面区域暴露在一个蚀刻区域的底部上。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，其中第一膜是由导体材料制成而该方法还包括下列步骤：
在将第一膜的部分表面区域暴露的所述步骤之后，
将一个金属件通过电铸淀积在第一膜的暴露的部分表面区域上以该金属件填充在第二膜被除去的区域；和
用同步辐射光或电子束照射该叠层基底以除去剩下的第二膜。
3.如权利要求1的方法，其特征在于，它还包括在将第一膜的部分表面区域暴露的所述步骤之后通过使用第一膜和剩留在第一膜上的部分表面区域上的第二膜来模制塑料的步骤。
4.如权利要求1的方法，其特征在于，它还包括下列步骤：
在将第一膜的部分表面区域暴露的所述步骤之后，
将一个金属件通过电铸淀积在第一膜的暴露的部分表面区域上以该金属件填充在第二膜被除去的区域；和
使第一膜配上图形以部分地将第一膜留下在与金属件相对应的区域处和围绕金属件的区域处。
5.如权利要求1的方法，其特征在于，第二膜是用聚四氟乙烯制成的。
6.如权利要求2的方法，其特征在于，第二膜是用聚四氟乙烯制成的。
7.如权利要求3的方法，其特征在于，第二膜是用聚四氟乙烯制成的。
8.如权利要求4的方法，其特征在于，第二膜是用聚四氟乙烯制成的。
9.如权利要求1的方法，其特征在于，所述贴靠掩模件的步骤包括下列步骤：
将一个金属膜淀积在第二膜的一个表面上；
将一个光刻胶膜涂敷在金属膜的一个表面上；
将光刻胶膜经由一个光掩模曝光；
将曝光的光刻胶膜显影以形成一个抗蚀图形；和
通过将抗蚀图形用作一个掩模来蚀刻金属膜以形成一个留剩余金属膜的掩模件。
10.如权利要求2的方法，其特征在于，所述贴靠掩模件的步骤包括下列步骤：
将一个金属膜淀积在第二膜的一个表面上；
将一个光刻胶膜涂敷在金属膜的一个表面上；
将光刻胶膜经由一个光掩模曝光；
将曝光的光刻胶膜显影以形成一个抗蚀图形；和
通过将该抗蚀图形作用一个掩模来蚀刻金属膜以形成一个留剩金属膜的掩模件。
11.如权利要求3的方法，其特征在于，所述贴靠掩模件的步骤包括下列步骤：
将一个金属膜淀积在第二膜的一个表面上；
将一个光刻胶膜涂敷在金属膜的一个表面上；
将光刻胶膜经由一个光掩模曝光；
将曝光的光刻胶膜显影以形成一个抗蚀图形；和
通过将抗蚀图形用作一个掩模来蚀刻金属膜以形成一个留剩金属膜的掩模件。
12.如权利要求4的方法，其特征在于，所述贴靠掩模件的步骤包括下列步骤：
将一个金属膜淀积在第二膜的一个表面上；
将一个光刻胶膜涂敷在金属膜的一个表面上；
将光刻胶膜经由一个光掩模曝光；
将曝光的光刻胶膜显影以形成一个抗蚀图形；和
通过将抗蚀图形用作一个掩模来蚀刻金属膜以形成一个留剩金属膜的掩模件。
13.如权利要求9的方法，其特征在于，它还包括在所述侵蚀第二膜和将第一膜的部分表面区域暴露在蚀刻区域的底部上的步骤之后将留剩金属膜除去的步骤。
14.如权利要求10的方法，其特征在于，它还包括在所述侵蚀第二膜和将第一膜的部分表面区域暴露在蚀刻区域的底部上的步骤之后将留剩金属膜除去的步骤。
15.如权利要求11的方法，其特征在于，它还包括在所述侵蚀第二膜和将第一膜的部分表面区域暴露在蚀刻区域的底部上的步骤之后将留剩金属除去的步骤。
16.如权利要求12的方法，其特征在于，它还包括在所述侵蚀第二膜和将第一膜的部分表面区域暴露在蚀刻区域的底部上的步骤之后，将留剩金属膜除去的步骤。
17.一种微结构，包括：
一个由对辐射光具有与聚四氟乙烯的抗蚀能力不同的抗蚀能力的材料制成的第一膜；和
一个紧密接触在所述第一膜上并由聚四氟乙烯制成的第二膜，所述第二膜被配以图形，而所述第一膜的一个表面暴露在所述第二膜的图形未形成的一个区域内，
其中所述第二膜具有30-3000微米的厚度。
18.一种微结构，包括：
一个由对辐射光具有与聚四氟乙烯的抗蚀能力不同的抗蚀能力的材料制成的第一膜；和
一个紧密接触在所述第一膜上并由聚四氟乙烯制成的第二膜，所述第二膜被配以图形，而所述第一膜的一个表面暴露在所述第二膜的图形未形成的一个区域内，
其中所述第二膜的厚度比所述第一膜的厚度大。
19.一种微结构，包括：
一个由对辐射光具有与聚四氟乙烯的抗蚀能力不同的抗蚀能力的材料制成的第一膜；和
一个紧密接触在所述第一膜上并由聚四氟乙烯制成的第二膜，所述第二膜被配以图形，而所述第一膜的一个表面暴露在所述第二膜的图形未形成的一个区域内，
其中所述第二膜具有300-3000微米的厚度。
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