DE102004033424A1

DE102004033424A1 - Verfahren zur Modifikation einer Mikrostruktur eines Gegenstandes

Info

Publication number: DE102004033424A1
Application number: DE102004033424A
Authority: DE
Inventors: Achim Dr. Hansen
Original assignee: OVD Kinegram AG
Current assignee: OVD Kinegram AG
Priority date: 2004-07-10
Filing date: 2004-07-10
Publication date: 2006-02-02
Also published as: EP1765723A1; WO2006005515A1; JP2008505758A; US20080088045A1; KR20070042991A; RU2007105110A; CN1980853A; RU2357883C2

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Oberflächenmodifikation und/oder zur Volumenmodifikation einer Mikrostruktur am und/oder im Werkstoff eines Gegenstandes, beschrieben, wobei am und/oder im Werkstoff des Gegenstandes zuerst die Mikrostruktur hergestellt wird und anschließend eine Volumenkontraktion des Werkstoffes zur Reduktion der relativen Strukturdimensionen der Mikrostruktur des Gegenstandes durchgeführt wird. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens sind vergleichsweise einfach und preisgünstig sehr feine Mikrostrukturen realisierbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenmodifikation und/oder zur Volumenmodifikation einer Mikrostruktur an einem Werkstoff und/oder im Werkstoff eines Gegenstandes.
Gegenstände bzw. Materialien mit einer mikrostrukturierten Oberfläche kommen beispielsweise als optische Elemente und Bauteile, als Materialien mit definiert modifizierten Oberflächeneigenschaften, oder als funktionale Komponenten zur Anwendung.
Modifizierte mikrostrukturierte Oberflächen kommen z.B. als optische Strukturen beispielsweise in Form von Hologrammen, als lichtstreuende Strukturen, als Strukturen, die Teil eines optischen Bauteiles wie beispielsweise eines Linsensarrays sind, Prismen, retroreflektierende Strukturen zur Anwendung. Strukturen mit definierten Oberflächeneigenschaften sind bspw. Strukturen, die gezielt die Benetzbarkeit, elektrische Eigenschaften oder mechanische Eigenschaften beeinflussen. Die Benetzbarkeit ist z.B. als "Lotusblüten-Effekt" bekannt; bei den elektrischen bzw. elektronischen Eigenschaften handelt es sich z.B. um Strukturen für LCDs, "Lab on Chip" usw.. Bei den mechanischen Eigenschaften handelt es sich z.B. um das Reibverhalten, d.h. die Beeinflussung des Haft- und/oder Gleitreibungskoeffizienten des mit der entsprechenden Mikrostruktur ausgebildeten Gegenstandes.
Volumenmodifizierte Werkstoffe bzw. Gegenstände verfügen z.B. über Mikrostrukturen in Form von Löchern, Kanälen und/oder Öffnungen in diversen Ausführungen. Derartige volumenmodifizierte Werkstoffe kommen z.B. als Filter, Membranen, elektronische Bauelemente usw. zur Anwendung.

Kombinationen von Oberflächenmodifikation und Volumenmodifikation sind durch Direktverfahren oder durch Abformverfahren möglich. Bei den Direktverfahren handelt es sich beispielsweise um eine sogenannte Direktstrukturierung mittels eines Lasers, um lithographische Verfahren wie ein Röntgenstrahl-Lithographieverfahren oder insbesondere um ein Elektronenstrahl-Lithographieverfahren, Maskenverfahren, Ätzverfahren, mechanische Verfahren wie Ritzen beispielsweise mittels Diamanten. Auch Prägen mittels Matrizen ist möglich. Bei den Abformverfahren erfolgt ein Abformen z.B. mittels mechanischer Prozesse und/oder mittels härtbarer Materialien, bei denen es sich z.B. um UV-Gießharze oder dergleichen handeln kann.

Die Herstellung von strukturierten Oberflächen durch Direktverfahren oder durch Abformverfahren der oben genannten Art ist oftmals durch technische und/oder kommerzielle Einflüsse begrenzt. So ist ein allgemein bekannter Faktor für die Limitierung der holographischen Herstellung von Mikrostrukturen die verwendete Wellenlänge des Lichtes. Zur Erzeugung sehr feiner Strukturen bedarf es kurzwelliger Laser und komplexer, oftmals kostenintensiver Versuchsaufbauten und Materialien. Sehr feine Strukturen lassen sich mit Hilfe von Elektronenstrahl-Anlagen realisieren. Bei der hierbei zur Anwendung gelangenden Elektronenlithographie können mit Elektronenstrahlen von üblicherweise 5 bis 50 keV auf einer elektronenempfindlichen Lackschicht – die z.B. auf einen Roh-Chip aufgebracht wurde – Strukturen von 0,1 μm Tiefe oder weniger abgebildet werden. Auflösungsbeschränkend wirkt hierbei der sogenannte Proximity-Effekt durch Streuung der Elektronen am Halbleitermaterial des Roh-Chips oder durch Strahlverzerrungen aufgrund elektrostatischer Abstoßung. Diese ist als Boersch-Effekt bekannt.

Limitierende Faktoren sind bei der Elektronenlithographie die Verfügbarkeit der sehr kostenintensiven Anlagen, die relativ langen Schreibzeiten, sowie Begrenzungen durch die zur Anwendung gelangenden elektronenempfindlichen Lackschichten.

Es besteht beispielsweise oftmals die Forderung, ausgehend von einer gegebenen Struktur, diese in einem kleineren Maßstab einzusetzen. Die gegebene Struktur kann z.B. 1500 Linien/mm besitzen, die z.B. auf 2000 Linien/mm geändert d.h. verfeinert werden soll. Ein weiteres Beispiel ist die abgestufte Herstellung von Membranen mit Nanotubes definierten Durchmessers. Bei holographischen Verfahren ist z.B. die Auflösung der erreichbaren Strukturen durch die verwendete Wellenlänge des Lichts limitiert. Gerade in letzter Zeit ist das Interesse an Strukturen unterhalb dieser Auflösung, sogenannte "sub wavelength structures", sehr hoch.

Oftmals scheitert der Einsatz sehr kleiner Strukturen an der Verfügbarkeit einer geeigneten Originationstechnologie, den Kosten und/oder dem Zeitbedarf.

In Kenntnis dieser Gegebenheiten liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das relativ einfach und preisgünstig zur gezielten Modifikation von Mikrostrukturen bzw. mikrostrukturierten Werkstoffen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 d.h. durch die Verfahrensschritte

a) Herstellen einer Mikrostruktur am und/oder im Werkstoff des Gegenstandes, und
b) Volumenkontraktion des Werkstoffes zur Reduktion der Strukturdimensionen der Mikrostruktur des Gegenstandes

gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass in einem ersten Verfahrensschritt eine entsprechende Mikrostruktur hergestellt wird, und dass diese Mikrostruktur anschließend durch Volumenkontraktion des Werkstoffes in ihren Dimensionen reduziert wird. Dabei erfolgt die Volumenkontraktion vorzugsweise unter weitgehender Erhaltung der relativen Profilierung der Mikrostruktur.

Erfindungsgemäß kann die Mikrostruktur am und/oder im Werkstoff des Gegenstandes mittels aller gängigen Verfahren, insbesondere mittels eines Lithographieverfahrens oder mittels eines Abformverfahrens hergestellt werden. Das Abformverfahren kann mittels einer Matrize durchgeführt werden. Das Abformen von der Matrize kann durch mechanisches und/oder thermisches Verformen durch Pressen oder durch Aufgießen eines Mediums erfolgen.

Die Trennung des mikrostrukturierten Werkstoffes von der Matrize kann mechanisch, durch Ätzen, durch Lösemittel, durch Verbrennen, durch Pyrolyse usw. erfolgen, d.h. es sind alle möglichen Verfahren anwendbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst also die Verfahrensschritte:

– Direktschreiben oder Abformung einer Mikrostruktur im Werkstoff;
– Volumenkontraktion des Werkstoffes unter weitgehender Erhaltung der relativen Strukturprofile bei entsprechender Reduktion der Strukturdimensionen; und
– Verwendung des so erhaltenen Gegenstandes z.B. als Bauteil oder als Matrize zum Abformen der entsprechend verkleinerten Mikrostrukturen.

Diese zuletzt genannten Verfahrensschritte können – je nach Anforderung – einmal oder mehrmals durchgeführt werden, um entsprechend feine Mikrostrukturen zu realisieren.

Die Strukturierung des jeweiligen Werkstoffes kann – wie bereits ausgeführt worden ist – mittels Laser, durch Ätzen oder Herauslösen von Bereichen mittels Lösemitteln, durch die Verwendung von Matrizen usw. erfolgen. Das Abformen von den Matrizen erfolgt in der Regel durch mechanisches und/oder thermisches Verformen durch Pressen, durch Aufgießen eines Mediums mit anschließender Verfestigung, oder durch bekannte lithographische Prozesse. Die Verfestigung kann durch Trocknen, durch chemische Aushärtung z.B. UV-Härtung usw. erfolgen.

Die Kontaktzeit zwischen der Matrize und dem Werkstoff hängt vom jeweiligen System und von den gewünschten und zu erzielenden Eigenschaften ab. Diese Kontaktzeit kann < 1 sec bis mehrere Tage betragen. Die Matrizen können aus verschiedenen Materialien bestehen. Bei diesen Materialien kann es sich um Metalle, Kunststoffe, anorganische Werkstoffe usw. handeln. Die Trennung der Matrizen vom Werkstoff kann rein mechanisch, durch Ätzen, durch Lösemittel, d.h. Auflösen der Matrize oder beispielsweise des Fotoresists, oder durch Verbrennen oder durch Pyrolyse erfolgen. Der Ablösezeitpunkt der Matrize vom Werkstoff ist vom verwendeten System abhängig. Beispielsweise erfolgt eine Aushärtung mittels UV-Strahlung während des Kontaktes und eine anschließende Trennung und eine kontrollierte Pyrolyse.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können als Werkstoff thermoplastische und/oder duroplastische Kunststoffe und/oder Elastomere verwendet werden. Desgleichen können als Werkstoffe mit Füllstoff gefüllte und/oder ungefüllte Werkstoffe verwendet werden. Als Werkstoffe können auch keramische und/oder metallische Werkstoffe verwendet werden. Desgleichen ist es möglich, dass als Werkstoffe natürliche und/oder aus natürlich vorkommenden Stoffen hergestellte Materialien verwendet werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind also alle Werkstoffe verwendbar, die sich durch eine Volumenkontraktion – zum Teil in Kombination mit dem jeweiligen Verarbeitungsprozess – auszeichnen. Möglich ist auch eine Volumenexpansion. Die Erfindung ist also auch auf eine solche bezogen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch Kombinationen der oben genannten Werkstoffe, z.B. Verbundwerkstoffe verwendet werden.

Als Füllstoff werden zweckmäßigerweise Füllstoffpartikel verwendet, deren Partikelgrößer kleiner ist als die Abmessungen der zur Abformung kommenden Mikrostruktur. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn das Verhältnis von Mikrostrukturabmessungen: Partikelgrößen zwischen 2:1 und ≥ 100:1, vorzugsweise größenordnungsmäßig > 10:1, beträgt.

Auf dem Markt sind "Nanopartikel" erhältlich, deren Teilchengröße 3 bis 30 nm beträgt. Solche Nanopartikel sind z.B. bei Mikrostrukturen, wie einer Sinusstruktur mit 1000 Linien/mm, einsetzbar.

Außer von der Partikelgröße kann auch die Form der Füllstoffpartikel von großem Einfluss sein; deshalb kann es vorteilhaft sein, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Füllstoffpartikel mit einer länglichen, faserförmigen oder plättchenförmigen Gestalt verwendet werden. Solche Füllstoffpartikel der zuletzt genannten Art können eine bessere Abformung der Strukturen ermöglichen und somit im Bedarfsfall auch bei einem ungünstigen Verhältnis von Mikrostrukturabmessungen : Partikelgröße eingesetzt werden. Vorteilhaft können auch Füllstoffpartikel sein, die sich beim Abformen verformen lassen. Die Füllstoffpartikel können auch eine runde Gestalt besitzen. Die Verwendung von Füllstoffen kann auch zu Modifikationen der Mikrostrukturen führen. Beispielsweise kann eine Strukturierung der Mikrostruktur mit "überlagerten" Nanostrukturen erfolgen. Das kann in bestimmten Anwendungsfällen vorteilhaft und wünschenswert sein.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Volumenkontraktion des Werkstoffes zur Reduktion der Strukturdimensionen, vorzugsweise unter weitgehender Erhaltung der relativen Profilierung der Mikrostruktur, durch einen physikalischen und/oder einen chemischen und/oder biologischen Prozess erfolgen. Dabei kann die Volumenkontraktion durch thermische Schrumpfung, durch einen Trocknungsprozess, unter Abgabe von Wasser und/oder Lösungsmittel, durch einen Abbindeprozess, durch einen Sinterprozess, durch einen Aushärteprozess oder durch gezieltes Carbonisieren bzw. Verkoken von organischen Werkstoffen bzw. Keramiken erfolgen. Desgleichen sind bei einer Volumenexpansion an sich bekannten Quellprozesse anwendbar.

Während bei vielen technischen Werkstoffen normalerweise eine möglichst geringe Schwindung angestrebt wird, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren oftmals eine hohe Schwindung angestrebt, was durch bestimmte Modifizierungen der Werkstoffe erreicht werden kann.

Beispiele für Volumenänderungen sind:

- Polycarbonat-Spritzguss	Volumenänderung: ca. 2%
- Polyester – ungefüllt nach Aushärtung	Volumenänderung: ca. 3 – 7%
- Tonerden	Volumenänderung: ca. 5 – 40%
- Carbonisieren keramischer Werkstoffe (z.T. organisch modifiziert).	Volumenänderung: ca. 5 – 50%

Verwendung können die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gegenstände als Bauteile oder als Matrizen zum Abformen von Mikrostrukturen finden. Anwendungen der Werkstoffe sind also beispielsweise:

– optische Elemente bzw. Anwendungen,
– Werkstoffe mit oberflächenmodifizierten Eigenschaften für den Sanitärbereich, für die Eisen- und Stahlindustrie, für die Elektronik, Elektrotechnik, für den Kraftwerksbereich, für biologische Anwendungen, in der Medizin, in der Diagnostik, im Maschinenbau usw.;
– Werkstoffe mit volumenmodifizierten Eigenschaften, beispielsweise mit Nanotubes bei technischen Anwendungen, wie z.B. bei Filtern, Membranen, biologischen Anwendungen, in der Medizin, Diagnostik, Elektronik, bei optischen Elementen;
– Verwendung als Matrizen für Folgeprozesse.

Claims

Verfahren zur Oberflächenmodifikation und/oder zur Volumenmodifikation einer Mikrostruktur am und/oder im Werkstoff eines Gegenstandes, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: a) Herstellen einer Mikrostruktur am und/oder im Werkstoff des Gegenstandes, und b) Volumenkontraktion des Werkstoffes zur Reduktion der Strukturdimensionen der Mikrostruktur des Gegenstandes.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenkontraktion unter weitgehender Erhaltung der relativen Profilierung der Mikrostruktur erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur am und/oder im Werkstoff des Gegenstandes mittels eines Lithographieverfahrens hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur am und/oder im Werkstoff des Gegenstandes mittels eines Direktverfahrens oder mittels eines Abformverfahrens hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abformverfahren mittels einer Matrize durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abformen von der Matrize durch mechanisches und/oder thermisches Verformen durch Pressen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abformen von der Matrize durch Aufgießen eines Mediums erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung des mikrostrukturierten Werkstoffes von der Matrize mechanisch, durch Ätzen, durch Lösemittel, durch Verbrennen oder durch Pyrolyse erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff thermoplastische und/oder duroplastische Kunststoffe und/oder Elastomere verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoffe mit Füllstoff gefüllte und/oder ungefüllte Werkstoffe verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoffe keramische und/oder metallische Werkstoffe verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoffe natürliche und/oder aus natürlich vorkommenden Stoffen hergestellte Materialien verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoff Partikel verwendet werden, deren Partikelgröße kleiner ist als die Abmessungen der zur Abformung kommenden Mikrostruktur.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Mikrostrukturabmessungen: Partikelgröße zwischen 2:1 und ≥ 100:1, vorzugsweise größenordnungsmäßig > 10:1, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass runde, längliche, faserförmige oder plättchenförmige Füllstoffpartikel verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenkontraktion des Werkstoffes zur Reduktion der Strukturdimensionen, vorzugsweise unter weitgehender Erhaltung der relativen Profilierung der Mikrostruktur, durch einen physikalischen und/oder chemischen und/oder biologischen Prozess erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenkontraktion durch thermische Schrumpfung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenkontraktion durch einen Trocknungsprozess, unter Abgabe von Wasser und/oder Lösungsmittel, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenkontraktion durch einen Abbindeprozess erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenkontraktion durch einen Sinterprozess erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenkontraktion durch einen Aushärteprozess erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenkontraktion durch Carbonisieren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenkontraktion durch Verkoken erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte a) und b) wiederholt durchgeführt werden.
Verwendung des nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellten Gegenstandes als Bauteil oder als Matrize zum Abformen von Mikrostrukturen.