DE10133566A1

DE10133566A1 - Vorrichtung und Verfahren zur selbstjustierenden Justage von Bauteilen mit Genauigkeiten im 1/1000 mm-Bereich

Info

Publication number: DE10133566A1
Application number: DE2001133566
Authority: DE
Inventors: Ulrich Krackhardt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2001-07-13
Publication date: 2003-01-30

Description

Das Verfahren zur Justage besteht darin, die Kontaktflächen zweier Komponenten mit komplementären zweidimensionalen Spiralzügen im entspannten Zustand ineinander zu stecken. Durch Verdrehen der Komponenten gegeneinander wird eine Verspannung der Spiralzüge und damit die gewünschte Justagewirkung erzielt.
Das Verfahren basiert auf einer Vorrichtung in Gestalt von komplementären zweidimensionalen Schneckenzügen auf den zu montierenden Kontaktflächen (Bild 1). Die erforderliche Genauigkeit der Grobjustage lässt sich durch die Geometrie (Steigung) der Schneckenzüge einstellen. Die Feinjustage wird durch Verdrehen der Komponenten gegeneinander erreicht. Um beim Vorrang der Justage übermäßige Scherkräfte zu vermeiden, können Anschläge realisiert werden, die ein Überdrehen der Schneckenzüge verhindern. Die Schneckenzüge können ggf. in einzelne Bogenabschnitte zerlegt werden, um Platz für die Funktion der Komponenten zu lassen (bspw. kann das Zentrum frei gelassen werden, oder aber Bögen nur in den Ecken eines rechteckigen Substrates gelegt werden).
Die erzielte Justage kann ggf. durch dauerhafte Maßnahmen fixiert werden. Dazu bietet sich bspw. UV- härtender Kleber an, da er im Gegensatz zu lösungsmittelbasierten Klebern keinen Schrumpf bei der Aushärtung zeigt und somit zu keiner Verschiebung der Justage während der Aushärtung führt.
Ein Paar komplementärer Schneckenzüge kann wahlweise aus zwei erhabenen oder aber aus einer erhabenen und einer eingeprägten Struktur bestehen. Letztere Variante erlaubt es, beide auszurichtende Bauelemente in Kontakt zu bringen. Ersteres Verfahren weist stets einen Abstand der Kontaktflächen von der Höhe der Schneckenzüge auf.
Für den Entwurf des Verlaufes der Schneckenzüge gilt folgendes Randbedingung: Der Radius verändert sich linear, d. h. in erster Potenz, zum Azimutwinkel φ (Bild 2a). Nur unter dieser Bedingung läßt sich im justierten Zustand erreichen, daß die komplementären Schneckenzüge sich über ihre gesamte Länge berühren und damit einen Kraftschluß zur Erzielung der Justagewirkung herstellen (Bild 2b).
Falls nur diskrete Kontaktstellen zwischen den komplementären Schneckenzügen erwünscht sind, kann von der Bedingung der Linearität abgewichen werden. Die Lage der Berührpunkte muß jedoch weiterhin linear vom Azimut abhängen. Ein Beispiel wäre eine sinusförmige Modulation um den strengen linearen Verlauf (Bilder 3a und 3b). Diskrete Berührpunkt bieten den Vorteil geringerer Beeinträchtigung der Justagewirkung im Falle der Verschmutzung durch Partikel. Etwaiger Partikeleintrag wird dann gleichsam weggekehrt und kann sich nicht zwischen den Kontaktflächen festsetzen und zu einer Fehljustage führen.
Mit der Vorrichtung der Schneckenzüge und dem Verfahren des gegenseitigen Verdrehens kann eine Justage bezüglich der lateralen Richtungen entlang der Kontaktflächen erzielt werden. Um darüber hinaus eine Fixierung senkrecht zu den Kontaktflächen zu erzielen, kann die Form der Schneckenzüge besonders gestaltet werden. Dazu werden zwei Formen der Realisierung vorgeschlagen: (a) Schwalbenschwanzprofil: Der Querschnitt des Schneckenzuges nimmt mit dem Abstand vom Substrat zu (erste Kontaktfläche) bzw. ab (zweite Kontaktfläche). (b) Hinterschneidungen: Auf einen bereits realisierten Schneckenzug einer Kontaktfläche wird ein zweiter Schneckenzug erstellt. Der zweite Schneckenzug weist eine leicht andere Geometrie als der erste (darunterliegende) auf. Bspw. kann der Radius enger gefasst, die Breite des Schneckenzuges größer gewählt, oder die Steigung leicht kleiner gewählt werden. Dadurch ergibt sich eine Hinterschneidung senkrecht zur Kontaktfläche. Die Fixierung senkrecht zur Kontaktfläche wird dann ähnlich wie bei den bekannten Bajonett- Verschlüssen erzielt.
Um bei der Herstellung der Schneckenzüge möglichst die selbe Genauigkeit zu erzielen wie bei der Herstellung der Nutzstrukturen auf den Komponenten, sollen die Schneckenzüge mit dem selben Herstellungsprozess realisierbar sein. Im vorliegenden Fall der Verwendung in der Mikromechanik / Mikrooptik kommen vornehmlich lithographische Verfahren zum Einsatz. Dabei wird ein Träger mit einem strahlungsempfindlichen Material (bspw. Photolack) versehen. In den Photolack wird die gewünschte Struktur durch Bestrahlung (bspw. mit Licht, Elektronen, Röntgenstrahlen, o. ä.) und nachfolgende Entwicklung des Photolackes erstellt.
Für die Realisierung der Schneckenzüge kann daher ein Photolack verwendet werden, der folgende Bedingungen erfüllt: Gute Haftfähigkeit mit den Trägermaterial, hinreichende Schichtdicke zur taktilen Auffindung der Schneckenzüge, hohe Formtreue bei der Herstellung, geringe Flexibilität (hohe Steifigkeit), geringe Verschleißerscheinungen nach mehrfachen Justagevorgängen. Mindestens ein Photolack mit derartigen Eigenschaften ist kommerziell erhältlich (Erfinder IBM, Bezeichnung "SU-8"). Dieser Photolack wurde bei der Realisierung der hier genannten Vorrichtung verwendet.
Die vorgenannte Funktion der Fixierung senkrecht zur Kontaktfläche lässt sich durch den Photolackprozess ebenfalls erreichen: (a) Schwalbenschwanz: Dies kann erzielt werden durch einen Belichtungsstrahlengang, der nicht kollimiert ist, oder wahlweise kollimiert aber schräg auf den Photolack einfällt, oder eine Kombination aus beidem. (b) Hinterschneidung: Dies kann erzielt werden durch eine mehrlagige Verarbeitung des Photolackes. Dazu wird auf eine Kontaktfläche, die bereits mit einem Schneckenzug versehen ist, wieder Photolack gegeben und dieser wie beschrieben verarbeitet. Dadurch entsteht ein zweiter, darüberliegender Schneckenzug, der für die geforderte Aufgabe (Bajonett-Prinzip) entworfen ist.

Stand der Technik

Für die Montage mikrooptischer/mikromechanischer Komponenten zu (Sub-) Systemen sind zuverlässige, präzise und kostengünstige Methoden zur gegenseitigen Justage der Komponenten notwendig. Es gibt aktive (Kontrolle der Funktionsparameter bei Betrieb des Systems), passive (Kontrolle durch Hilfsmittel ohne Betrieb des Systems) und automatische (auch sog. selbstjustierende) Justagetechniken. Bei automatischen Techniken werden die Komponenten grob vorjustiert und dann kontrolliert in einen physikalisch günstigeren Zustand gebracht, der an der Position der optimalen Justage erreicht wird (bspw. Oberflächenspannung des Lötmittels bei ball grid arrays).
Das vorgeschlagene Verfahren ist in die Klasse der automatischen Verfahren einzuordnen, da durch die Führungsstrukturen in Form von Spiralzügen eine Selbstjustage erzielt wird.

- Außerhalb des Bereichs der mikrooptischen/mikromechanischen Aufbautechnik werden Schneckenzüge zum Einspannen von Drehwerkzeugen oder Schneidplatten in Werkzeugmaschinen benutzt.
- Im Bereichs der mikrooptischen/mikromechanischen Aufbautechnik werden bislang folgende Vorrichtungen und Verfahren angewendet:
- aktive Verfahren: Das System wird im Betrieb justiert und dabei die Leistungsparameter des Systems optimiert. Beispiel: Faserjustierung, Optimierung der transmittierten Lichtintensität
- passive Verfahren: Die Ausrichtung von Komponenten wird anhand von Hilfsstrukturen beobachtet. Beispiel: Anbringung von identischen Fresnel-Zonen-Platten auf den auszurichtenden Glasträgern. Bei Dejustage können Streifenmuster beobachtet werden, die Auskunft über Ausmaß und Richtung der Dejustage geben.
- automatische Verfahren: Die auszurichtenden Komponenten werden mit Nuten/Federn versehen und wahlweise durch laterales Verschieben oder senkrechtes Einfügen zusammen gefügt.

Nachteile der bisherigen Verfahren

Von den üblichen Verfahren ist das automatische Verfahren wirtschaftlich am günstigsten, da es weder ein funktionsfähiges System, noch eine Manipulation der zu justierenden Bauelemente mit der letztlich geforderten Genauigkeit voraussetzt. Die erforderliche Genauigkeit wurde bereits bei der Anbringung der Führungstrukturen erzielt und muß deshalb nicht beim tatsächlichen Montageschritt erreicht werden.

- Die Verwendung von Führungstrukturen zeigt allerdings inhärent ein Dilemma: Für das Einfügen wird mechanisches Spiel benötigt, für die Justagefunktion aber nach Möglichkeit keines. In der üblichen Feinmechanik wird dies dadurch gelöst, daß die Justagewirkung durch Verklemmung komplementärer Haltestrukturen erzielt wird (z. B. LEGO™-Prinzip). Dies setzt die Wahl spezieller Materialien (bspw. Metalle) für die Führungstrukturen voraus, die eine gewisse Elastizität aufweisen.
- Jedes Verfahren, das die Passgenauigkeit von einer System Nut/Feder durch lineare Verschiebung erzielt, kann eine Justage nur gegen zwei allenfalls drei (Anschlag) Richtungen erreichen.
- im hier adressierten Einsatzgebiet der Mikrooptik/Mikromechanik haben die Führungstrukturen Abmessungen von typischerweise 1/10 mm oder darunter. Das Verklemmen erzeugt Kräfte auf die Strukturen, die diese aufgrund ihrer Kleinheit leicht beschädigen können. Ein weiteres Problem ist das Erfordernis eines geeigneten Materials der Strukturen zusammen mit der Randbedingung, daß dieses Material gute Hafteigenschaften auf dem Träger der zu justierenden Komponente hat. Darüber hinaus schmälert die Elastizität des Materials die Justageeigenschaften durch das Fehlen eines definierter Anschlags.
- Für die Aufbringung von Justagestrukturen wird typischerweise eine andere Herstellungstechnologie verwendet als die Erzeugung der Funktionsstruktur. Dies erfordert eine gemeinsame Basis für relative Längenmessung und absolute Lageerfassung. Hierdurch wird die letztendlich erzielbare Genauigkeit begrenzt.
- Die üblichen Technologien zur Erstellung von Justagestrukturen sind Bohren, Drehen, Fräsen, Ätzen. Damit sind typischerweise Genauigkeiten im Bereich von 1/10 bis hinunter zu 1/100 mm erreichbar.
- Die üblicherweise erzielte Justagewirkung basiert auf einem Kraftschluß entlang durchgehender oder mindestens abschnittsweise durchgehender Regionen der Berührungsflächen der Justagestrukturen. Der Eintrag von Schmutzpartikeln hat empfindlichen Einfluss auf das Justageergebnis.

Ziele der Erfindung

- Entkopplung der Forderung nach mechanischem Spiel für das Einfügen und passgenauem Sitz für die Justagefunktion
- Erzielung einer Justage gegen alle vier Richtungen entlang einer Kontaktfläche
- Aufhebung der Notwendigkeit der Verklemmung von Haltestrukturen zur Erzielung einer Justagewirkung
- Kompatibilität der Herstellungsprozesse für die Justage- und die Nutzstrukturen
- Elimination eines Justageschrittes über Technologiegrenzen hinweg
- Erhöhung der Justagegenauigkeit
- Erzielung einer weitgehenden Unempflindlichkeit gegen Eintrag von Schmutzpartikeln in die Haltestrukturen

Vorteile der Erfindung

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung können mikromechanische/mikrooptische Bauelemente mit mindestens abschnittsweise rotationssysmmetrischen Kontaktflächen mit hoher Genauigkeit zueinander justiert werden. Es handelt sich dabei um eine automatisches (auch genannt "selbstjustierendes") Verfahren. Gegenüber den bisher üblichen Verfahren und Vorrichtungen der automatischen Justage liegen die Vorteile der Erfindung in folgenden Punkten:

1. Entwurf kompatibel zum Entwurf der Nutzstruktur (gleiche Entwurfswerkzeuge)
2. Parameter der Justagestruktur anpassbar (Drehwinkel, Scherkraftstabilität, Einsetzspiel)
3. Justagestruktur mit gleicher geometrischer Genauigkeit aufbringbar wie die Nutzstruktur
4. kein separater Arbeitsschritt zum Anbringen der Justagestrukturen nötig
5. keine Messtechnik für Beobachtung und Auswertung von Justagefehlern nötig
6. Aufsetzen der Kontaktflächen mit wählbarem Spiel (leichtes Einfügen, niedrige Positionieranforderungen)
7. Erzielen der Feinjustage durch Verdrehen (relativ grober Winkelbereich) wahlweise gegen einen Anschlag oder frei ohne Anschlag bis zur Klemmung.
8. Justagewirkung isotrop entlang der Kontaktfläche; dadurch kein Lösen der Justage durch einfach Linearverschiebung. Die Kontaktfläche muß nicht notwendig plan sein.
9. Fixierung wird gleichzeitig in den Richtungen entlang der Kontaktfläche und auch in Richtung senkrecht zur Kontaktfläche erzielt.
10. weitgehende Unempfindlichkeit gegen Schmutzpartikel
11. Reduzierte Abnutzung der justagewirksamen Flächen, da mittels Anschlag nur geringe Kräfte auf sie wirken.
12. Für rotationssymmetrische Nutzstrukturen unempfindlich gegen etwaigen Materialabrieb
13. Prinzipiell hohe Genauigkeiten erzielbar, da Material nicht elastisch sein muß wie bei Klemmverfahren
14. Justagegenauigkeiten im Bereich von wenigen 1/1000 mm erreichbar (bis dato realisiert: 2/1000 mm)

Gerade die Punkte (6) und (7) machen das Verfahren überlegen gegenüber Einsetz-Verfahren: Dort werden die komplementären Justagestrukturen vertikal ineinander gefügt. Durch Klemmen erreicht man die Justage. Hier gibt es ein Dilemma, wonach man für das Einfügen Spiel benötigt, für die Justagefunktion jedoch nicht. Das vorgeschlagene Verfahren löst dieses Dilemma auf, indem zwischen dem Einfügen und dem Fixieren eine Drehbewegung eingeführt ist.

Weitere Ausführungsbeispiele

1. In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird das Profil des Schneckenzuges in Richtung senkrecht zur Kontaktfläche moduliert. Damit wird ein Schwalbenschwanzprofil erzielt. Die zueinander zu justierenden Kontaktflächen werden mit komplementären zweidimensionalen Schneckenzügen, oder Abschnitten von diesen, versehen. Die Schwalbenschwanzprofile sind dabei so gestaltet, daß es zu einer Führung auch in Richtung senkrecht zur Kontaktfläche kommt.
Die strahlungsempfindliche Schicht, aus der die Schneckenzüge durch Belichtung erzeugt werden, wird mit einem kollimierten Lichtstrahl unter schrägem Einfall belichtet. Der Einfallswinkel ist dabei als der Winkel definiert, den das einfallende Licht mit einer Ebene einschließt, die durch die Bahntangente und die Normale zur Kontaktfläche gegeben ist. Dadurch ergibt sich ein in Richtung senkrecht zur Kontaktfläche schräg verlaufendes Profil. Dadurch ergibt sich die Forderung nach einem ortsvarianten Einfallswinkel. Dieser wird realisiert durch Aufbringen entsprechender (Mikro-)Prismen auf die Belichtungsmaske, die ihrerseits mit einem kollimierten Strahl unter senkrechtem Einfall beleuchtet wird.
2. In einem dritten Ausführungsbeispiel wird die Fixierung des zweidimensionalen Schneckenzuges in Richtung senkrecht zur Kontaktfläche dadurch erzielt, dass über einen ersten zweidimensionalen Schneckenzug ein zweiter in Richtung senkrecht zur Kontaktfläche angebracht wird. Dieser zweite Schneckenzug weicht in der Form leicht vom ersten ab und formt damit eine Hinterschneidung. Die Hinterschneidung sorgt nach Art eines Bajonettverschlusses für die gewünschte Fixierung in Richtung senkrecht zur Kontaktfläche. Die Formabweichung zwischen erstem und zweitem Schneckenzug kann durch Variation der Breite, des Radius oder aber der Steigung des Schneckenzuges erzielt werden.
Die Herstellung einer derartigen Struktur wird durch Schichttechnik erreicht.
3. In einem vierten Ausführungsbeispiel werden gerade Führungsstrukturen als zweidimensionale schneckenförmige Strukturen mit unendlich großem Krümmungsradius aufgefasst. Die vorgeschlagenen Vorrichtungen und Verfahren zur Fixierung in lateraler wie in vertikaler Richtung relativ zur Kontaktfläche lassen sich in unveränderter Form anwenden.

Literatur

N. LaBianca, and J. Delorme, "High aspect ratio resist for thick film applications", in Proc. SPIE vol. 2438, SPIE, (1995): 846-852
H. Lorenz, M. Despont, N. Fahrni, J. Brugger. P. Renaud, and P. Vettiger, "High aspect ratio ultrathick, negative-tone near-UV photoresist and its applications for MEMS", Sens. & Act. A A64 (1998): 33-39
A. Bertsch, H. Lorenz, and P. Renaud, "Combining microstereolithography and thick resist UV lithography for 3D microfabrication", in Proc. MEMS'98, IEEE, Heidelberg, (1998): 18-23
B. Eyre, J. Blosiu and D. Wiberg, "Taguchi Optimization for the processing Epon SU-8 resist", in Proc. MEMS'98, IEEE, Heidelberg, (1998): 218-222
Sinzinger S., Jahns J.: "Microoptics", Wiley-VCH, ISBN 3-527-29428-7, 234-239 (1999)

Claims

1. Verfahren zur Justage zweidimensionaler mindestens abschnittsweise rotationssymmetrischer Kontaktflächen dadurch gekennzeichnet, dass das Einfügen der Justagestrukturen senkrecht zur Kontaktfläche erfolgt.

2. Verfahren zur Justage zweidimensionaler mindestens abschnittsweise rotationssymmetrischer Kontaktflächen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Justage durch eine Drehbewegung um eine Achse senkrecht zur Kontaktfläche erzielt wird.

3. Vorrichtung zur Justage zweidimensionaler mindestens abschnittsweise rotationssymmetrischer Kontaktflächen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Justagewirkung durch Anlegen von Kantenflächen erzielt wird.

4. Vorrichtung zur Justage zweidimensionaler mindestens abschnittsweise rotationssymmetrischer Kontaktflächen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Anlegekanten einer zweidimensionalen Schnecke entlang der Kontaktfläche entspricht.

5. Vorrichtung zur Justage zweidimensionaler mindestens abschnittsweise rotationssymmetrischer Kontaktflächen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Anlegekanten aus Bogenabschnitten aus dem Schneckenzug bestehen können.

6. Vorrichtung zur Justage zweidimensionaler mindestens abschnittsweise rotationssymmetrischer Kontaktflächen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Anlegekanten wahlweise nur an diskreten Kontaktpunkten anliegen.

7. Vorrichtung zur Justage zweidimensionaler mindestens abschnittsweise rotationssymmetrischer Kontaktflächen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass etwaige störende Partikel in den Raum zwischen den diskreten Kontaktpunkten gedrängt werden.

8. Vorrichtung zur Justage zweidimensionaler mindestens abschnittsweise rotationssymmetrischer Kontaktflächen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Schneckenzuges in Richtung senkrecht zur Kontaktfläche konstant ist.

9. Vorrichtung zur Justage zweidimensionaler mindestens abschnittsweise rotationssymmetrischer Kontaktflächen nach den Ansprüchen 3 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Schneckenzuges in Richtung senkrecht zur Kontaktfläche veränderlich ist zur Erzielung eines Kraftschlusses in Richtung senkrecht zur Kontaktfläche.

10. Verfahren zur Herstellung von Justagevorrichtungen nach den obigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Justagevorrichtung mit der selben Technologie hergestellt werden kann wie die Nutzstruktur (Funktionsträger).

11. Verfahren zur Herstellung von Justagevorrichtungen nach den obigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Justagevorrichtung lithographisch hergestellt werden kann.

12. Verfahren zur Herstellung von Justagevorrichtungen nach den obigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass:

a) Die Justagevorrichtung mit lithographischer Genauigkeit hergestellt werden kann.

13. Verfahren zur Herstellung von Justagevorrichtungen nach den obigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Justagevorrichtung in ihrem gesamten Verlauf in einem parallelen Arbeitsschritt hergestellt werden kann.

14. Verfahren zur Herstellung von Justagevorrichtungen nach den obigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Justagevorrichtung durch einen Kopierprozess hergestellt werden kann.

15. Verfahren zur Herstellung von Justagevorrichtungen nach den obigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Justagevorrichtung durch einen Belichtungsprozess mit Strahlung beliebiger Wellenlänge hergestellt werden kann.