DE10132091A1 - Verfahren zur Abformung von Mikroformen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abformung von in bekannter Weise hergestellten Mikroformen, mit folgenden Schritten: DOLLAR A - Einführen der Mikroform in eine sauerstoffhaltige Atmosphäre bei gegenüber dem atmosphärischen Umgebungsdruck vermindertem Druck zwischen 0,01 und 0,1 mbar; DOLLAR A - Einstellen der Temperatur der Mikroform auf 50 bis 160 DEG C, insbesondere auf etwa 100 DEG C; DOLLAR A - Zünden einer Gasentladung in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre für einen Zeitraum von 10 bis 120 Sekunden; DOLLAR A - Auffüllen der Mikroform mittels elektrochemischer Auffüllung, chemischer Abscheidung, Sinter- oder Spritzgussauffüllung.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abformung von Mikroformen.
• Für die Herstellung von metallischen Funktionsschichten, die strukturiert abgeschieden werden, wird als formgebendes Element eine Mikroform benutzt, die auf verschiedene Arten erzeugt werden kann. Die Mikroform kann beispielsweise nach dem sogenannten LIGA-Verfahren, nach dem RIE-Ätzverfahren oder mit lithographischen Verfahren unter Verwendung von UV- oder Röntgenstrahlung hergestellt werden. Ein Verfahren zur Herstellung von mikrostrukturierten Gegenständen ist in der DE 41 26 877 A1 beschrieben. Üblicherweise wird eine Positivform mit einem Formstoff abgeformt, der Formstoff wird dann aus der Positivform entfernt und die entstandene Negativform erneut mit dem endgültigen Material abgeformt, beispielsweise durch Galvanoformung. Für serienmäßige Anwendung bei der Herstellung der Mikroformen ist das sogenannte 3D-UV- Tiefenlithographieverfahren wegen der relativ geringen damit verbundenen Kosten vorteilhaft.
• Unabhängig von dem Verfahren, nach dem die Mikroform hergestellt wurde, wird angestrebt, möglichst kleine Strukturen mit einem möglichst großen Verhältnis zwischen Höhe und Breite der Struktur, dem sogenannten Aspektverhältnis, zu erzielen. Dabei sollen die Oberflächen des in den Vertiefungen der Mikroform abgeschiedenen Materials möglichst fehlerfrei bleiben.
• Zu diesem Zweck wird bei bekannten Verfahren mit elektrochemischer Abformung den dort verwendeten Elektrolyten ein Benetzungsmittel zugesetzt, das für eine gute Benetzung der Oberflächen während der galvanischen Abformung dienen soll.
• Die galvanische Auffüllung von Mikroformen mit kleinen Strukturen (in der Größenordnung von wenigen µm) bis im Sub-µ- Bereich und großem Aspektverhältnis ist jedoch auch unter Verwendung von Benetzungsmitteln nur beschränkt möglich.
• Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem das Ergebnis der Abformung der Mikroform verbessert wird.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine defektfreie oder nahezu defektfreie Auffüllung von Mikrokontaktstrukturen bis zu einer Tiefe von 200 µm bei einer minimalen Breite von 5 µm wird durch folgende Verfahrensschritte ermöglicht:
  
• - Einstellen der Temperatur der Mikroform auf 30 bis 300°C; insbesondere auf ca. 80°C-100°C
• - Zünden einer Gasentladung in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre für einen Zeitraum zwischen 1 und 300 Sekunden;
• - Auffüllen der Mikroform mittels elektrochemischer Auffüllung, chemischer Abscheidung, Sinter- oder Spritzgussauffüllung.
• Insbesondere werden vorteilhafte Ergebnisse erreicht, wenn der verminderte Druck 0,01 bis 0,1 mbar beträgt. Die Atmosphäre enthält dabei Sauerstoff und Stickstoff in einem Verhältnis von etwa 1 : 1 bis 5 : 1. Zusätzlich kann ein Anteil eines chemisch inerten Gases, insbesondere eines Edelgases vorgesehen sein.
• Die Temperatur der Mikroform beträgt während der Behandlung in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre unter verringertem Druck je nach Temperaturbeständigkeit der Mikroform 30 bis 300°C, insbesondere etwa 80-100°C. Der Zeitraum der Behandlung, genauer gesagt der Zeitraum, in dem die Gasentladung aufrechterhalten bleibt, beträgt 1 bis 300 sec, vorzugsweise 10 bis 120 sec, insbesondere etwa 40 sec.
• Eine gute Abformung wird erreicht, wenn der polare Anteil der Oberflächenenergie nach der Sauerstoffbehandlung mehr als 6,4 mN/m, insbesondere mehr als 15 mN/m und besonders vorteilhaft etwa 23 mN/m beträgt. Die gesamte Oberflächenenergie der Mikroform nach Ablauf des Zeitraums beträgt vorzugsweise mehr als 50 mN/m, insbesondere etwa 60-65 mN/m.
• Im folgenden wird das vorliegende Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Tabellen und die Zeichnung beschrieben.
• Es zeigen:
• Fig. 1 Das Ergebnis der Auffüllung einer Mikroform mit 4 µm Strukturbreite und 30 µm Strukturhöhe unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens; sowie
• Fig. 2 das Ergebnis der Auffüllung einer gleichartigen Mikroform ohne Anwendung des vorliegenden Verfahrens.
• Zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst in an sich bekannter Weise als Träger ein beidseitig oder einseitig polierter, oxidierter und mit Markerchip versehener Siliziumwafer mit ca. 100 mm Durchmesser und einer Schichtdicke von 500 µm verwendet. Der Träger kann auch aus anderen Materialien wie Glas, Kunststoff oder Keramik bestehen. Der Träger soll eine mechanische Stabilität gegenüber den Belastungen der nachfolgenden Prozessschritte sowie eine geringe Oberflächenrauhigkeit im Bereich von weniger als 20 nm und eine Temperaturbeständigkeit über 250°C aufweisen.
• Der Träger wird in einer Sputteranlage mit einem Haftvermittler aus 15 nm Chrom und einer Startschicht aus 80 nm Gold beschichtet. Die Beschichtung kann auch durch Aufdampfen erfolgen. Neben dem Schichtverbund Chrom/Gold können auch reine Goldbeschichtungen, Chrom/Aluminium-Beschichtungen, Titan- Wolfram/Gold-Beschichtungen oder Chrom/Kupferbeschichtungsschichten eingesetzt werden. Wesentliches Merkmal der Haftschicht ist es, die Haftung der verschiedenen Schichten untereinander herzustellen. Eine wesentliche Eigenschaft der Startschicht ist es, eine feste Keimbildung der auf ihrer Oberfläche elektrolytisch abzuscheidenden metallischen Schichten zu ermöglichen.
• Durch Aufschleudern eines Formkunststoffs auf die Startschicht wird das Formmaterial für die im nächsten Schritt erzeugte Mikroform aufgebracht. Eine gleichmäßige Verteilung des Kunststoffs auf der Startschicht kann beispielsweise durch Verwendung eines Polyimids (PI2611 der Firma Dupont) oder durch A2- Lack (Hoechst) erreicht werden. Das Polyimid wird durch Spincoating auf das Substrat aufgeschleudert. Anschließend werden die Lösungsmittel aus der Kunststofflage ausgetrieben.
• Im nächsten Schritt wird ein photoempfindlicher Lack aufgetragen, mit Röntgenstrahlung bzw. UV-Licht belichtet und entwickelt. Alternativ kann das Polyimid durch RIE-Ätzen, einen Trockenätzvorgang, zur Ausprägung der Mikroform bearbeitet werden.
• Insoweit entspricht das bislang beschriebene Verfahren den amtlich bekannten Verfahren zur Herstellung einer Mikroform.
• Vor dem Abformen der Mikroform, was durch galvanische Abformung, chemische Abscheideverfahren oder Sinter- und Spritzgussprozesse erfolgen kann, wird die Mikroform jedoch im Unterschied zu den bekannten Verfahren in einer im wesentlichen gasdichten Vorrichtung auf einen Träger gelegt, der durch physischen Wärmekontakt die Mikroform auf etwa 100°C aufheizt. Die Atmosphäre in dem Gerät wird abgepumpt und durch ein kontrolliert zufließendes Gemisch aus Sauerstoff und Stickstoff bei niedrigem Druck ersetzt. Der Druck beträgt dabei etwa 0,1 mbar, wobei sich dieser Druck dadurch einstellt, daß in einem Fließgleichgewicht einerseits Sauerstoff und Stickstoff zugeführt werden und andererseits das Gehäuse des Geräts ebenfalls kontinuierlich evakuiert wird. Das Verhältnis zwischen Sauerstoff und Stickstoff wird vorzugsweise auf 4 : 1 eingestellt. Sodann wird in dem Gerät eine Gasentladung gezündet, die ein homogenes Sauerstoff/Stickstoff-Plasma erzeugt. Diesem Plasma wird die Mikroform für eine Dauer von vorzugsweise 40 sec ausgesetzt.
• Die Oberfläche der Mikroform wird durch die Behandlung im Sauerstoff/Stickstoff-Plasma derart modifiziert, daß Sauerstoff- und Stickstoffatome in die Oberfläche eindringen. Durch diesen Prozeß ändert sich die Oberflächenenergie der Mikroform. Die Benetzbarkeit steigt erheblich.
• In einem letzten Schritt wird die wie vorstehend beschrieben behandelte Mikroform in an sich bekannter Weise aufgefüllt, vorzugsweise durch ein elektrochemisches Abschichtungsverfahren.
• Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird das Benetzungsverhalten insbesondere bei nasschemischer Verwendung von Elektrolyten deutlich verbessert, weil die Oberflächenenergie und der Benutzbarkeit der Mikroform an der Phasengrenze zum Elektrolyten verändert wird.
• Nachfolgend werden beispielhaft Messungen des Benetzungsverhaltens von Wafern durch Kupfer-, Nickel- und Goldelektrolyte in tabellarischer Form dargestellt.
• Die Tabelle 1 zeigt die Kontaktwinkel für die drei genannten Elektrolyte in Grad bei einem Wafer mit einer Resistschicht und der erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlung gegenüber einem Wafer mit Resistschicht ohne die erfindungsgemäße Oberflächenbehandlung. Es ist ersichtlich, daß die Kontaktwinkel erheblich kleiner sind. Tabelle 1 Kontaktwinkel der Elektrolyte auf der Startschicht und der Lackform
  
  
• Die Oberflächenbehandlung der Mikroform führt also zu einer Verringerung des Kontaktwinkels auf etwa 14% bis 6% des Kontaktwinkelwertes ohne die Oberflächenbehandlung. Dies läßt eine defektfreie Auffüllung von Mikrostrukturen bis zu einer Tiefe von 200 µm bei einer minimalen Breite von 5 µm erwarten. Die freie Oberflächenenergie der erfindungsgemäß behandelten Wafer mit verschiedenen Flüssigkeiten wurde nach den Methoden von Owens/Wendt/Rabel/Kaelble und Oss/Good ermittelt. Die Ergebnisse sind in den folgenden Tabellen 2 und 3 dargestellt. Zur Bestimmung der freien Oberflächenenergien wurde der behandelte Wafer mit Tropfen der in der Tabelle 2 angegebenen Flüssigkeiten beaufschlagt (Tropfenvolumen 5 µl, Temperatur 22 ± 2°C). Die Tabelle 2 gibt die entsprechenden Oberflächenenergien bezüglich der verwendeten Flüssigkeiten wieder. Tabelle 2 Bestimmung der freien Oberflächenenergie der Meßflüssigkeiten
  
  
• Die Tabelle 3 gibt die Oberflächenenergien der Wafer nach Owens/Wendt/Rabel/Kaelble wieder, und zwar für Wafer mit der erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlung und Wafer ohne die erfindungsgemäße Oberflächenbehandlung. Es ist ersichtlich, daß die gesamte Oberflächenenergie um etwa 50% ansteigt, wobei der dispersive Anteil nur geringfügig vergrößert wird, der polare Anteil jedoch bei dem oberflächenbehandelten Substrat nahezu viermal so groß ist wie bei dem unbehandelten Substrat. Tabelle 3 Oberflächenenergien der Wafer nach O/W/R/K
  
  
• Aus den Werten der Oberflächenenergien und der Polaritäten ist das Benetzungsverhalten der Proben ableitbar. Je höher die Gesamtoberflächenspannung und je höher die Polarität, desto besser benetzbar sind die Substrate. Der polare Anteil ist insbesondere bei der Benetzung mit polaren Flüssigkeiten wie z. B. Elektrolyten von großer Bedeutung.
• Die Frage nach dem Ursprung der Polaritäten kann mit der Theorie von Oss und Good erklärt werden. Diese Theorie unterteilt den polaren Anteil weiter in Elektronenakzeptor und Elektronendonator. Die Tabelle 4 zeigt die erhaltenen Werte. Tabelle 4 Oberflächenenergien der Wafer nach Oss und Good
  
  
• Aus den Säure- und Baseanteilen ist ersichtlich, daß alle Oberflächen mehr oder weniger Lewis-basisch sind. Dies läßt auf eine hohe Oberflächenkonzentration von elektronenreichen Gruppen (sauerstoff- oder stickstoffhaltig) schließen. Bei dem Wafer mit Resistschicht und erfindungsgemäßer Oberflächenbehandlung ist diese Konzentration besonders groß, was darauf schließen läßt, daß durch die Behandlung im Sauerstoffplasma Sauerstoffatome in die Substratoberfläche eindringen. Diese Oberflächenmodifikation erlaubt schließlich die wesentlich bessere Benetzbarkeit: des Wafers beispielsweise bei der galvanischen Abformung mittels Elektrolyten.
• In der Fig. 1 ist eine schachbrettförmige Mikrostruktur mit einer Rasterbreite von 4 µm dargestellt, die durch galvanische Auffüllung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Mikroform erzeugt wurde.
• Die Fig. 2 zeigt das Ergebnis der galvanischen Abformung einer Mikroform wie in der Fig. 1, jedoch ohne die erfindungsgemäße Oberflächenbehandlung. Die erzielte Höhe (senkrecht zur Zeichenebene) beträgt bei der Fig. 1 30 µm, während bei der Abformung gemäß Fig. 2 keine fehlerfreie Auffüllung erreicht wurde.
• Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß das erfindungsgemäße Verfahren erstmals die Abformung von Mikroformen mit sehr geringer Mikroformbreite und großem Aspektverhältnis erlaubt. Aspektverhältnisse von 40 sind bei einer Breite der Mikrostruktur von 5 µm erzielbar, wobei die Oberflächen nahezu fehlerfrei abgeformt werden.
• Das Verfahren kann in kommerziell verfügbaren Plasmabehandlungsgeräten durchgeführt werden, beispielsweise in dem Gerät "AfterGlo™" der Firma MIT Machines Technology Inc., USA. Besondere Vorteile in der Mikrotechnik bietet das insoweit beschriebene Verfahren beispielsweise bei der Erhöhung der Elektrodenanzahl pro Flächeneinheit für Mikrokontaktstrukturen zur Kontaktierung von Nervengewebe in der Medizintechnik. Eine andere mögliche Anwendung ist die Minimierung der Lochgeometrie beim Verbinden von Leiterbahnebenen in der Halbleiterindustrie.

Claims (8)

1. Verfahren zur Abformung von in bekannter Weise hergestellten Mikroformen, mit folgenden Schritten:

1.

- Einführen der Mikroform in eine sauerstoffhaltige Atmosphäre bei gegenüber dem atmosphärischen Umgebungsdruck vermindertem Druck zwischen 0,01 und 0,1 mbar;

- Einstellen der Temperatur der Mikroform auf 30 bis 300°C, insbesondere auf etwa 80-100°C;

- Zünden einer Gasentladung in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre für einen Zeitraum von 1 bis 300 Sekunden;

- Auffüllen der Mikroform mittels elektrochemischer Auffüllung, chemischer Abscheidung, Sinter- oder Spritzgussauffüllung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verminderte Druck 0,001 bis 1 mbar beträgt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre Sauerstoff und Stickstoff in einem Verhältnis von 1 : 1 bis 5 : 1 enthält.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre einen Anteil eines Edelgases enthält.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Mikroform 50 bis 160°C, insbesondere etwa 100°C beträgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitraum 1 bis 300 sec beträgt, insbesondere etwa 40 sec.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der polare Anteil der Oberflächenenergie nach Owens/Wendt/Rabel/Kaelble nach Ablauf des Zeitraums mehr als 6,4 mN/m, insbesondere etwa 23 mN/m beträgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Oberflächenenergie der Mikroform nach Ablauf des Zeitraums mehr als 50 mN/m, insbesondere 60 bis 65 mN/m beträgt.