(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属微細構造体（Ｍ）を製作する方法であって、
ａ）少なくとも１つの導電性表面（３）を有する基板（１）を取り込むステップと、
ｂ）前記基板（１）の前記導電性表面（３）上に感光性樹脂層（４）を付着させるステップと、
ｃ）所望の微細構造体の外形（４ａ）を画成するマスクを介して前記樹脂層（４）を照射するステップと、
ｄ）前記基板（１）の前記導電性表面（３）を所定の位置に出現させるように前記感光性樹脂層（４）の非照射ゾーン（４ｂ）を溶解させて、導電性の照射されたゾーン（４ａ）を描画するステップと、
ｅ）前記基板（１）の前記導電性表面（３）と前記感光性樹脂（４ａ）の導電性表面に、第１の金属の層（５）を直流電流によって均一に堆積させるステップと、
ｆ）前記感光性樹脂層（４）の上表面のレベルにほぼ到達するブロックを形成するように、前記第１の金属の層に、第２の金属の層（６）を直流電流によって均一に堆積させるステップと、
ｇ）前記樹脂と前記電着されたブロックとが同じレベルになるように、前記樹脂（４）と前記堆積された金属（５、６）を平坦化するステップと、
ｈ）前記樹脂層（４）と前記電着されたブロックを層間剥離によって前記基板（１）から分離させるステップと、
ｉ）前記感光性樹脂層（４）によって形成された前記微細構造体（Ｍ）を解き放つために、層間剥離された構造体から前記感光性樹脂層（４）を取り除くステップと
を含み、
前記第１の金属が前記第２の金属より低い摩擦係数を有し、前記第２の金属が前記第１の金属より高いレベルの機械的抵抗力を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第１の金属および第２の金属が、機械的特性が最適化された微細構造体（Ｍ）を形成できるように、異なることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の金属がニッケル−リン合金であり、前記少なくとも１つの第２の金属がニッケルであることを特徴とする、請求項１から２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４】
前記基板（１）の前記導電性表面（３）がクロムの層（２）と金の層（３）の積み重ねから形成されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記感光性樹脂層（４ａ）の前記導電性表面が前記樹脂を活性化させることによって形成されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記感光性樹脂層（４ａ）の前記導電性表面が導電性下塗り層を被覆することによって形成されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
いくつかの微小機械構造体が同じ基板上に製作されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記金属微細構造体（Ｍ）が時計の微細機械部品を形成することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＩＧＡ方式の技術によって金属微細構造体を製作する方法に関する。特に本発明は、第２の金属の機能的な層で少なくとも部分的に被覆された、第１の金属から作られるコアを有し、幾何学的寸法の正確性がこの方法によって直接画定される、微細構造体を製作するためのこの方式の方法に関する。本発明は、この方法によって得られるこの種の金属部品にも関する。
【背景技術】
【０００２】
１９８０年代にドイツ国のＫａｒｌｓｒｕｈｅ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ＣｅｎｔｒｅのＷ．Ｅｈｒｆｅｌｄによって開発された、ＬＩＧＡ技術（Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｅ  Ｇａｌｖａｎｉｋ  Ａｂｆｏｒｍｕｎｇ）は、極めて正確な金属微細構造体を製作するための利点を実現してきた。
【０００３】
ＬＩＧＡ技術の原理は、導電性基板または導電性層で被覆された基板上に感光性樹脂層を堆積させ、所望の微細構造体の外形に合致するマスクを介してシンクロトロンを使用してＸ線照射を行い、微細構造体の外形を有する鋳型を画成するために現像、すなわち物理的または化学的手段によって感光性樹脂層の照射されていない部分を取り除き、この感光性樹脂鋳型内に直流電流によって金属、通常はニッケルを堆積させ、次いで微細構造体を解き放つためにこの鋳型を取り除くことから構成される。
【０００４】
得られる微細構造体の品質は批判に供されていないが、高価な装置（シンクロトロン）を使用する必要があることによって、安価な単位コストであるべき微細構造体の大量生産には、この技術は相容れないものになっている。
【０００５】
このことが、何故、このＬＩＧＡ方法に基づくが、ただしＵＶ感光性樹脂を使用する同様な方法が開発されてきたかの理由である。ポリイミド・ベースの感光性鋳型内に金属を電気めっきすることによって金属構造体を製作するための、この方式の方法は、例えばＡ．Ｂ．Ｆｒａｚｉｅｒらによる、「Ｍｅｔａｌｌｉｃ  Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  Ｕｓｉｎｇ  Ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ  Ｍｏｌｄｓ」という名称の出版物、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ、１９９３年、６月２日の第２巻、Ｎ  ｄｅｇ．２で開示されている。この方法は、以下のステップ、
−引き続く電着ステップのための犠牲金属層および導電性下塗り層を作り出すステップと、
−感光性ポリイミド層を付着させるステップと、
−所望の微細構造体の外形に合致するマスクを介してポリイミド層にＵＶ照射するステップと、
−ポリイミド鋳型を得ることができるように、ポリイミド層の非照射部分を溶解させることによって、現像するステップと、
−鋳型の開口部分内に、前記鋳型の高さまでニッケルを直流電流によって堆積させるステップと、
−犠牲層を取り除き、得られた金属構造体を基板から分離させるステップと、
−ポリイミド鋳型を取り外すステップとを含む。  
【０００６】
従来技術の方法により得られる微細構造体は、単一の金属、一般にニッケル、銅、ニッケル−リンから作られる金属微細構造体であり、それは、それらが意図される用途によっては常に最適とは限らない。実際、これらの材料のうちのどれか１つが、機械的、摺動特性（トライボロジー）的観点の両方から最適な特性を有さない用途が存在する。通常、歯付きホイールは高レベルの応力に曝される場合破損しないように十分に剛性で無ければならないが、噛み合いを円滑にするために低い摩擦係数を有する歯も有さなければならない。したがって、ニッケルを選択することは、機械的な抵抗力の観点から非常に有利であるが、ニッケルは比較的高い摩擦係数を有するので、それほど有利なトライボロジー的特性（摺動特性）を有さない。
【０００７】
この問題点を解決する１つの方法は、所望の微細構造体のコアをＬＩＧＡ−ＵＶ方法によって第１の金属で作り、次いで前記コアを、別の従来型の方法、例えば真空蒸着によって第２の金属の層で被覆することにある。しかしこの方式の方法は、得られる予定の部品が、どうしても制御された幾何学的正確さを有すことができない欠点を有する。したがって、この欠点を克服することができる方法が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第４，０５８，４０１号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ａ．Ｂ．Ｆｒａｚｉｅｒらによる、「Ｍｅｔａｌｌｉｃ  Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  Ｕｓｉｎｇ  Ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ  Ｍｏｌｄｓ」という名称の出版物、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ、１９９３年、６月２日の第２巻、Ｎ  ｄｅｇ．２
【非特許文献２】Ｌ．Ｊ．Ｄｕｒｎｅｙにより１９８４年米国ニューヨークのＶａｎ  Ｎｏｓｔｒａｎｄ  Ｒｅｉｎｈｏｌｄ  Ｃｏｍｐａｎｙ  Ｉｎｃ．によって出版された、Ｄｉ  Ｂａｒｉ  Ｇ．Ａ．「ｅｌｅｃｔｒｏｆｏｒｍｉｎｇ」Ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ第４版
【発明の概要】
【００１０】
微細構造体が予定される用途に対して、それらの成分の観点から、最適に適応する微細構造体を製作する方法を提供することによって、他の欠点に加えて上述の欠点を克服することが本発明の１つの目的である。それによって得られる微細構造体は、その正確性が制御された幾何学的な寸法を有する。
【００１１】
第２の金属の層で被覆される、第１の金属から作られるコアを有する微細構造体を製作することができ、所望の幾何学的な寸法の正確性がこの方法によって画定される、この方式の方法を提供することも本発明の１つの目的である。
【００１２】
実施するのに簡単であり安価である、この方式の方法を提供することも本発明の１つの目的である。
【００１３】
したがって、本発明は以下のステップ、
ａ）少なくとも１つの導電性表面を有する基板を取り込むステップと、
ｂ）この基板の導電性表面に感光性樹脂層を付着させるステップと、
ｃ）所望の微細構造体の外形を画定するマスクを介してこの樹脂層を照射するステップと、
ｄ）この基板の導電性表面を、所定の位置に出現させるように、感光性樹脂層の非照射ゾーンを溶解させるステップと、
ｅ）この基板の前記導電性表面と感光性樹脂の一方の導電性表面に、第１の金属の１つの層を直流電流によって均一に堆積させるステップと、
ｆ）この感光性樹脂層の上表面のレベルにほぼ到達するブロックを形成するように、前記第１の金属層に、第２の金属の層を直流電流によって均一に堆積させるステップと、
ｇ）樹脂と電着されたブロックとが同じレベルになるように、樹脂と堆積された金属を平坦化するステップと、
ｈ）樹脂層と電着されたブロックを層間剥離によって基板から分離させるステップと、
ｉ）感光性樹脂層によって形成された微細構造体を解き放つために層間剥離された構造体から感光性樹脂層を取り除くステップとを含む、
金属微細構造体を製作する方法に関する。
【００１４】
したがってこの方法は、第２の金属の層で被覆された、第１の金属から作られるコアを有する仕上げ部品を作り、幾何学的な寸法の所望の正確性は、２つの金属の直流電流による堆積が行われる感光性樹脂鋳型の寸法によって、あるいは換言すれば、使用されるフォトリソグラフィ技術の正確性によって画定される。微細構造体を形成する２つの金属を注意深く選択することによって、所与の用途に対して最良に適応する部品の機械的特性が可能になる。例えば、歯付きホイール（歯車）が作られる場合、第１の金属は、部品の摩擦係数を低下させるのを促進させるための、微細な層、通常数十ミクロンのニッケル−リンの層の形態で堆積させることができ、第２の金属は通常ニッケルブロックの形態で堆積させることができ、この第２の金属は機械的抵抗力を有する部品を与えることができる。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によれば、この第１および第２の金属は、その機械的特性が最適化された微細構造体を形成するために、異なる機械的特性を有する。好ましくはこの第１の金属は、第２の金属より低い摩擦係数を有し、第２の金属は第１の金属より高いレベルの機械的抵抗力を有する。この第１の金属は、例えばニッケル−リン合金であり、第２の金属は、例えばニッケルである。
【００１６】
通常、基板の前記導電性表面はクロムと金の層の積み重ねから形成され、感光性樹脂層の前記導電性表面は前記樹脂を活性化することによって形成される。
【００１７】
この方法は、同じ基板上にいくつかの微細機械構造体を作ることができる。
【００１８】
本発明の別の実施形態によればこの方法は、例えば異なる直径の歯車をなす歯付きホイールを作るために、ステップｈ）に先立って、導電性の、下塗り層を堆積させるステップと、微細構造体の第２のレベルのための第２の外形を画成する第２のマスクで、ステップｂ）からｇ）までの繰り返しステップとをさらに含む。
【００１９】
本発明の方法は、時計ムーブメント用の微細機械部品を製作するための特に有利な用途のものである。特にこれらの部品は、歯付き輪（歯車）、ガンギ車、レバー、軸受け部品、ジャンパー・スプリング、ひげゼンマイ、および、カムのような受動部品から構成される群の中から選ぶことができる。
【００２０】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して行われる、純粋に例示の目的で与えられる本発明による方法の例示的な実施形態の以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】歯付き輪を作るための本発明の一実施形態の方法のステップを示す図である。
【図２】歯付き輪を作るための本発明の一実施形態の方法のステップを示す図である。
【図３】歯付き輪を作るための本発明の一実施形態の方法のステップを示す図である。
【図４】歯付き輪を作るための本発明の一実施形態の方法のステップを示す図である。
【図５】歯付き輪を作るための本発明の一実施形態の方法のステップを示す図である。
【図６】歯付き輪を作るための本発明の一実施形態の方法のステップを示す図である。
【図７】歯付き輪を作るための本発明の一実施形態の方法のステップを示す図である。
【図８】歯付き輪を作るための本発明の一実施形態の方法のステップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明による方法のステップａ）で使用される基板１は、例えば、その上に導電性下塗り層、すなわち電鋳反応を開始させることができる層が蒸着されたシリコン、ガラスまたはセラミック・ウエハーによって形成される。この導電性、下塗り層は通常、クロムのサブ層２と金の層３から形成される（図１）。
【００２３】
別法として、この基板１は、電鋳反応を開始させることができるステンレス鋼または別の金属から形成することができる。ステンレス鋼基板の場合は、この基板は最初に清潔にされる。
【００２４】
本発明による方法のステップｂ）で使用される感光性樹脂４は、好ましくはＳＵ−８の照会記号の下でＳｈｅｌｌ  Ｃｈｅｍｉｃａｌから入手可能なオクトファンクショナル（ｏｃｔｏｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ）エポキシ樹脂と、米国特許第４，０５８，４０１号に記載されるものなどの、トリアリールスルホニウム（ｔｒｉａｒｙｌｓｕｌｆｏｎｉｕｍ）塩の中から選択される光開始剤である。この樹脂は、ＵＶ照射の作用の下で光重合させることができる。この樹脂に適していることが分かった溶媒は、ガンマブチロラクトン（ｇａｍｍａｂｕｔｙｒｏｌａｃｔｏｎｅ）（ＧＢＬ）であることに留意されたい。
【００２５】
別法として、ＤＮＱ（ジアゾナフトキノン（ＤｉａｚｏＮａｐｈｔｏＱｕｉｎｏｎｅ））光開始剤の存在下で、ノボラック（Ｎｏｖｏｌａｃ）・タイプのフェノールホルムアルデヒド・ベースの樹脂も使用することができる。
【００２６】
樹脂４は、所望の厚さが達成されるまで、任意の適切な手段、例えばスピン・コーター（ｓｐｉｎ  ｃｏａｔｅｒ）を使用して基板１に堆積される。通常、樹脂のこの厚さは、１５０μｍと１ｍｍの間で形成される。所望の厚さおよび使用される堆積技術に応じて、樹脂４は１つまたはいくつかの順番で堆積される。
【００２７】
次いで樹脂４は、溶媒を除去するために９０℃と９５℃の間で、堆積厚さに応じたある時間加熱される。
【００２８】
図３に示す次のステップｃ）は、所望の微細構造体Ｍの外形と、絶縁ゾーン４ａと非絶縁ゾーン４ｂも画成する、マスクを介して樹脂層４をＵＶ照射することにある。このＵＶ照射は、層の厚さに応じて、３６５ｎｍの波長に沿って測定される通常２００から１，０００ｍＪ．ｃｍ-2である。必要な場合、層がＵＶ照射によって誘起される光重合を完了させるために、焼鈍ステップが必要になる場合がある。この焼鈍ステップは、好ましくは９０℃と９５℃の間で１５分から３０分行われる。この絶縁（光重合された）ゾーン４ａは、大部分の溶媒に対して反応しなくなる。しかし、溶媒は引き続き非絶縁ゾーンを溶解することができる。
【００２９】
図４に示す次のステップｄ）は、基板１の導電性層３を所定の位置に出現させるために、感光性樹脂層の非絶縁ゾーン４ｂを現像することにある。この動作は、ＧＢＬ（ガンマブチロラクトン）とＰＧＭＥＡ（プロピレングリコールメチルエチルアセテート（ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ  ｇｌｙｃｏｌ  ｍｅｔｈｙｌ  ｅｔｈｙｌ  ａｃｅｔａｔｅ））の中から選択される溶媒を使用して非絶縁ゾーン４ｂを溶解させることによって実施される。金属構造体の外形を有する、絶縁された感光性樹脂鋳型４ａがこのようにして作成される。
【００３０】
図５に示す次のステップｅ）は、第１の層が鋳型の奥底の部分上にのみ、かつ鋳型の垂直壁にも沿ってのみ延びるように注意して、第１の金属の層５を鋳型内で、前記導電性層３に直流電流によって堆積させることから構成される。これを行うために、鋳型を形成する樹脂層４は、それを導電性にするために活性化されているか、導電性下塗り層で被覆されているかのどちらかである。この第１の金属層５の厚さは、得るのが望まれる微細構造体のクラッディングの厚さに合致する。通常、この層の厚さは、数ミクロンと数十ミクロンの間で形成することができる。
【００３１】
図６に示す次のステップｆ）は、層５で被覆された鋳型内に、感光性樹脂４ａの上表面にほぼ到達するブロックを形成するように、第１の金属と異なる第２の金属の層６を直流電流によって堆積させることから構成され、このブロックは、第１の金属の層５と第２の金属の層６とから形成される。この文脈で、「金属」は当然金属合金を含む。通常、この第１の金属および第２の金属は、ニッケル、銅、金または銀、ならびに合金として、金−銅、ニッケル−コバルト、ニッケル−鉄およびニッケル−リンを含む群の中から選ばれる。
【００３２】
第２の金属層６の厚さは、微細構造体Ｍの所望の使途に応じて変化させることができる。通常、この第２の金属層６の厚さは、１００ミクロンと１ｍｍの間で変化させることができる。カムまたはピニオンなどの特定の用途では、例えば、通常ニッケル−リンから作られる良好なトライボロジー的品質を有する層５と、機械的に抵抗力のある第２の金属、通常ニッケルの層６とを含む微細構造体を作ることができる。
【００３３】
電鋳条件、特に浴の成分、システムの幾何学的形状、電着される予定の各金属または合金に対する電圧および電流密度は、電鋳分野でのよく知られた技術によって選択される（例えばＬ．Ｊ．Ｄｕｒｎｅｙにより１９８４年米国ニューヨークのＶａｎ  Ｎｏｓｔｒａｎｄ  Ｒｅｉｎｈｏｌｄ  Ｃｏｍｐａｎｙ  Ｉｎｃ．によって出版された、Ｄｉ  Ｂａｒｉ  Ｇ．Ａ．「ｅｌｅｃｔｒｏｆｏｒｍｉｎｇ」Ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ第４版参照）。
【００３４】
図７に示す次のステップｇ）では、電鋳されたブロックは樹脂層と同じレベルに作られる。このステップは、平らな上表面を有する微細構造体を直接設けるためにアブレーションおよび研磨によって行うことができ、表面状態のしわの多さは、レンジ・ムーブメント（ｒａｎｇｅ  ｍｏｖｅｍｅｎｔ）の頂部を作るための時計業界の要求に適合する。
【００３５】
図８に示す次のステップｈ）は、樹脂層および電着されたブロックを層間剥離によって基板から分離させることにある。層間剥離動作が実施された後、感光性樹脂層によって形成された微細構造体Ｍを解き放つために感光性樹脂層は層間剥離された構造体から取り除かれる。これを行うために、ステップｉ）で光重合した樹脂は、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（Ｎ−ｍｅｔｈｙｌ−２−ｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ）（ＮＭＰ）によって溶解され、あるいはこの樹脂は、プラズマ・エッチングによって取り除くことができる。
【００３６】
このようにして解き放たれた微細構造体は次いで、直ちに、あるいは必要に応じて適切な機械加工の後のいずれかで使用することができる。樹脂鋳型４の幾何学的な正確性のために、図８に示す微細構造体Ｍは、第２の金属層６から形成されるコアと第１の金属層５から形成される非常に正確なクラッディングを含むことは明らかである。したがって、図８に示すように、その外側、内側および底部壁が第１の金属層５で被覆された微細構造体を得ることができる。
【００３７】
したがって、上記で説明したように、第１の金属層５が良好なトライボロジー的品質を有する場合、これらの壁は、カムまたはピニオンなどの前述の用途で接触表面として有利に役目を果たすことができることは明らかである。
【符号の説明】
【００３８】
１  基板；  ２  サブ層；  ３  導電性層；  ４  樹脂層；  
４ａ  感光性樹脂鋳型；  ４ｂ  非絶縁ゾーン；  
５  第１の金属層；  ６  第２の金属層；  Ｍ  微細構造体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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