DE102010001504B4

DE102010001504B4 - Eine Filtereinrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Filtereinrichtung

Info

Publication number: DE102010001504B4
Application number: DE102010001504.0A
Authority: DE
Inventors: Marc Dill; Christina Leinenbach; Patrick Leinenbach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-02-02
Filing date: 2010-02-02
Publication date: 2020-07-16
Anticipated expiration: 2030-02-03
Also published as: DE102010001504A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen wenigstens einer Filtereinrichtung mit wenigstens einer Filterschicht, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:Bereitstellen eines Substrats (10, Schritte S1, A1, B1),Bereitstellen eines Funktionsbereichs mit wenigstens einer Funktionsschicht (10, 16, Schritte S3, A2, B1, B2),Ausbilden der Funktionsschicht (10, 16) als Filterschicht (18, 28) mit wenigstens einer oder mehreren Poren oder Löchern (22, 36, 38 Schritte S4, A3, B2), undTrennen der Filterschicht (18, 28) von dem Substrat (10, Schritte S5, A4, B3),dadurch gekennzeichnet, dass eine Opferschicht (12) zwischen dem Substrat (10) und der Funktionsschicht (16) vorgesehen wird (Schritte S2, S3),dass die Opferschicht (12) strukturiert wird, wobei wenigstens ein Stabilitätselement (20) der Funktionsschicht (16) in die Opferschicht (12) oder das Substrat (10) strukturiert wird, wobei das Stabilitätselement (20) einen Abstandshalter und/oder eine Versteifungsstruktur der Funktionsschicht (16) bildet, unddas Trennen der Filterschicht (18, 28) vom Substrat (10) durch Entfernen der Opferschicht (12) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Filtereinrichtung und ein Verfahren zur Herstellung der Filtereinrichtung, wobei die Filtereinrichtung insbesondere eine Mikrofiltereinrichtung oder Nanofiltereinrichtung ist.
Aus der DE 10 2006 015 386 A1 ist beispielsweise ein Filter mit einer nanostrukturierten oder mikrostrukturierten Vorrichtung bekannt. Die nanostrukturierte oder mikrostrukturierte Vorrichtung weist dabei ein Substrat und einen eine Vielzahl von Poren aufweisenden porösen Strukturbereich auf. Erster Schritt: Anfangsstrukturierung in das Substrat einbringen (dieser erste Schritt besteht eigentlich aus zwei Schritten: A)Aufbringung Polymergemisch, B) Durchführung mehrerer Ätzschritte zur Erzeugung einer Anfangsstukturierung). Erst dann erfolgt der in DE 10 2006 015 386 A1 als zweiter Schritt bezeichnete elektrochemische Porosizierungsprozess (= Anodosierungsprozess) zur Bildung der Poren. Detail zum ersten Schritt: Dabei wird auf ein Substrat, wie ein Siliziumsubstrat, eine selbstorganisierende mikrostrukturierte Schicht aufgebracht. Hierzu wird ein Polymergemisch in Verbindung mit einem Lösungsmittel auf das Substrat aufgeschleudert. Beim Aufschleudern wird das Lösungsmittel durch die vergrößerte Oberfläche verdampft, wodurch eine Phasenentmischung stattfindet. Je nach dem im System vorhandenen Mischungsenthalpie und Mischungsentropie bildet diese Phasenentmischung ein mehr oder weniger geordnetes Muster zumindest einer der Komponenten des Polymergemisches. Die durch die Entmischung der verschiedenen Polymerbestandteile selbstorganisierte mikrostrukturierte Schicht ist Grundlage für die eigentliche Strukturübertragung in das Substratmaterial. Es wird nun eine Anfangsstrukturierung in das Substrat eingebracht mittels konventioneller Halbleiter-Ätzprozesse. Anschließend erfolgt ein elektrochemisches Porosizieren eines Teils des Substrats.
Die DE 694 34 999 T2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Membranfilters unter Verwendung einer gemusterten Hilfsschicht, wobei die Membran in einer wesentlich gleichmäßigen Dicke auf einen Trägerkörper aufgebracht wird.
Die US 2008/0277332 A1 beschreibt einen MEMS-Filter mit einer Vielzahl von Poren und einem Paar von Substraten, die beidseitig an die Membran angebracht werden können.
Die US 2006/0091069 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Filters, wobei eine Keramik auf einem Substrat aufgebracht werden kann und mit eine Vielzahl von Löchern ausgebildet werden kann.
Gemäß der Erfindung wird nun ein Verfahren bereitgestellt zur Herstellung wenigstens einer Filtereinrichtung mit Löchern und/oder Poren, sowie eine Filtereinrichtung die gemäß dem Verfahren hergestellt ist, wie in Anspruch 1 und 8 angegeben.
Das Verfahren hat dabei den Vorteil, dass eine Filtereinrichtung ohne Substrat bzw. ein für die Filtereinrichtung nicht weiter genutztes Substrat hergestellt werden kann. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren können sehr dünne Filtereinrichtungen hergestellt werden, da die Filterschicht von dem übrigen nicht benötigten Substrat getrennt werden kann. Insbesondere können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens filigrane Mikrofilter- und Nanofiltereinrichtungen hergestellt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Perspektivansicht eines Substrats und einer strukturierten Opferschicht gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Perspektivansicht des Substrats und der strukturierten Opferschicht gemäß 1, wobei zusätzlich eine Funktionsschicht zur Siebherstellung mit variabler Schichtdicke aufgebracht ist;
3 eine Perspektivansicht des Substrats, der strukturierten Opferschicht und der Funktionsschicht gemäß 2, wobei die Funktionsschicht mit Löchern bzw. Öffnungen und Vereinzelungsgräben versehen ist;
4 eine Perspektivansicht des Substrats und der Funktionsschicht gemäß 3, wobei die Opferschicht entfernt ist, um eine Filtereinrichtung, hier z.B. ein Einzelsiebelement, zu bilden;
5 eine Perspektivansicht eines Einzelsiebelements gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
6 eine Perspektivansicht eines Einzelsiebelements gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem Vorfilter, welcher gleichzeitig als Stabilisierungsgitter wirkt;
7 eine Perspektivansicht eines Arrays aus Einzelsiebelementen gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem Vorfilter, welcher gleichzeitig als Stabilisierungsgitter oder Halterung bzw. Rahmen fungiert;
8 eine Perspektivansicht eines Arrays aus Einzelsiebelementen gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Stabilisierungsgitter oder eine Halterung bzw. Rahmen (Transferrahmen, welcher einen Transfer der Funktionsschicht bzw. der Filterelemente erlaubt) durch einen Waferbondprozess an den Einzelsiebelementen angebracht ist;
9 eine Perspektivansicht einer vertikalen Anordnung von Arrays bzw. Filtereinrichtungen, wobei die Größenordnung dabei z.B. bis zum gesamten Waferdurchmesser hochskalierbar ist;
10 ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Filtereinrichtung;
11 ein Ablaufdiagramm eines nicht zur Erfindung gehörigen Verfahrens zur Herstellung einer Filtereinrichtung;
12 ein Ablaufdiagramm eines nicht zur Erfindung gehörigen Verfahrens zur Herstellung einer Filtereinrichtung;
13a einen Schichtquerschnitt eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels mit definierten Poren oder Löchern beliebiger Geometrien;
13b eine Draufsicht auf eine eine Filtereinrichtung gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel im Waferformat;
13c eine Draufsicht auf eine Filtereinrichtung gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel im Waferformat;
14a einen Schichtquerschnitt eines weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels mit undefinierten Poren oder Löchern, welche durch Porosifizieren hergestellt sind; und
14b eine Draufsicht auf eine Filtereinrichtung gemäß einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel im Waferformat.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Einrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen worden. Des Weiteren ist die Darstellung des Substrats, der Opferschicht und der Funktionsschichten in den nachfolgenden Figuren rein schematisch, nicht maßstäblich und stark vereinfacht gezeigt. Bei der vorliegenden Erfindung, wie sie im Nachfolgenden anhand der Figuren beschrieben wird, wird beispielsweise eine bzw. wenigstens eine Funktionsschicht als Funktionsbereich verwendet. Gemäß der Erfindung können für den Funktionsbereich aber auch zwei und mehr Funktionsschichten verwendet werden. Im Nachfolgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert, wobei als Funktionsbereich eine Funktionsschicht verwendet wird. Entsprechend können aber in den in den Figuren gezeigten Beispielen auch mehrere Funktionsschichten verwendet werden, um einen Funktionsbereich zu bilden.
Die Anwendungen der Filtrationstechnik und insbesondere der erfindungsgemäßen Filtereinrichtungen sind vielfältig. Klassische Beispiele für den Einsatz von Filtereinrichtungen bzw. teildurchlässigen Membransystemen als Partikel- und Gasfiltereinrichtungen sind Kontaminationsanalysen von Treibstoffen und Hydraulikflüssigkeiten, Luftpartikelanalysen, sowie die Abwasserbehandlung und Trinkwasseraufbereitung. Forderungen nach einer Erhöhung der Filterqualität sowie neuartige, anspruchsvollere Einsatzgebiete können mittels Filtereinrichtungen bzw. Membranfiltern mit Lochgrößen oder Porengrößen im Mikro- und Nanobereich realisiert werden. So können derartige Filtereinrichtungen bzw. Membranfilter beispielsweise für mikrobiologische Analysen z.B. von Verunreinigungen von Infusionslösungen, für mikrofluidische Systeme, aber auch für sog. „lab-on-a-chip“-Applikationen usw. verwendet werden. Hinzu kommen Einsatzgebiete in Lackiersystemen und Sprayanwendungen, andererseits auch zur präzisen Medikamentenvergabe. Des Weiteren erstreckt sich das Spektrum der Mikrodosiersysteme bis hin zur Abgabe von Schmierstoffen (z.B. Öle und Fette) sowie Kühlmittel (z.B. Wasser) in der Automobiltechnik, der Metallverarbeitung und im Maschinenbausektor. Die Filtereinrichtungen eignen sich ebenso zur Überwachung diverser Prozessgrößen wie Druck, Flußrate oder Temperatur aller benannten Bereiche und auch darüber hinaus.
In der Lebensmitteltechnik wird die Mikrofiltration beispielsweise anstelle von Hitze zum Keimfreimachen von Milch genutzt. Dies sind jedoch nur einige Beispiele wo Filtereinrichtungen gemäß der Erfindung eingesetzt werden können. Die Erfindung ist auf diese Beispiele nicht beschränkt.
Ein gesellschaftlich äußerst wichtiger Punkt ist auch der weltweit steigende Wasserbedarf. Dazu werden leistungsfähige Wasser-Aufbereitungssysteme benötigt. Aufgabe des nachhaltigen Wassermanagements ist es, zahlreiche Inhaltsstoffe aus schmutzigem Wasser herauszufiltern, wie beispielsweise Schwebstoffe, Keime, Umweltgifte, Viren und Bakterien. Hinzu kommt die Umwandlung von Meerwasser in Süßwasser. Sauberes Wasser stellt in der Zukunft einen knappen Rohstoff dar. Zu den effektivsten Verfahren gehören auch hier die Membransysteme bzw. Filtereinrichtungen, wie sie die Erfindung bereitstellt. Die feinsten Membranfilter, sog. Umkehrosmosefilter, können sogar Partikel unterhalb eines Nanometers zurückhalten Außerdem wird je nach abzutrennenden Partikelgrößen in Mikrofiltration (ca. 10-0,1 µm), Ultrafiltration (0,5-0,05 µm) und Nanofiltration (< 0,01 µm) untergliedert.

Folgende nach Partikelgrößen diversifizierte Einteilung zeigt Beispiele für interessante Trenngrenzen und daraus folgend mögliche zu filternde Medien:

Partikelgröße [µm]	Beispiel
100	Sand, Granulate
10 bis 0,1	Mikrofiltration (z.B. Bakterien, Parasiten, Kolloide)
0,1 bis 0,05	Ultrafiltration (z.B. Viren)
0,01 bis 0,005	Nanofiltration (z.B. Salze)
< 0,001	Umkehrosmose

In Bezug auf die Wasseraufbereitung umfassen die Kapazitäten einen weiten Bereich, der von mehreren 100 m³/Tag bis zu mehreren 10000 m³/Tag reichen kann. Die erfindungsgemäßen Filtermodule, die innerhalb derartiger Aufbereitungsanlagen eingesetzt werden können, sind je nach Anlagentyp und Anwendung adaptierbar. Mittels der dieser Erfindung zu Grunde liegenden Herstellungsverfahren für Dünnschichtsysteme ist ein breites Spektrum zur Variation der Filtereigenschaften möglich. Zudem ist eine hohe Synergie zur Serienfertigung gegeben. Die Filtereinrichtungen können hinsichtlich der Membranmaterialien, der Membrandicken sowie der Lochdurchmesser und Geometrien flexibel gestaltet werden. Dadurch kann das Mikrofilter-Element präzise an die Randbedingungen der Filtration, wie beispielsweise an die Fließgeschwindigkeit des Wassers in Rohrleitungen, die infolge unterschiedlicher Rohrmaterialien und -geometrien stark variiert, angepasst werden. Beispielsweise liegen die Parameter bei der Wasseraufbereitung bei einem Durchfluss von 0,1 bis 80 m³/h mit einem Wasserdruck von 1 bar bis 80,0 bar. Weitere Arbeitsdruckbereiche liegen beispielsweise für Mikrofiltrationsanwendungen bei 0,3 bis 3 bar und für Ultrafiltrationsanwendungen bei 0,5 bis 10 bar. Für hohe Drücke erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine einfache Anpassung der Filterdicke ohne die Notwendigkeit aufwändiger designseitiger Bauteiländerungen. Dazu wird einerseits die funktionale Schicht dicker abgeschieden. Andererseits, für den Fall dass keine extra funktionale Schicht abgeschieden wird, erfolgt das Ablösen der Funktionsstruktur in einem tiefer gelegenen Substratbereich. Die Filterdicke kann je nach Materialeigenschaften und Filterdesign im Bereich von 100 nm bis hin zu 680 µm liegen, aber auch darunter bzw. darüber. Des Weiteren kann die Filterdicke durch Verbindung (z.B. Kleben, eutektisches Bonden, Sealglas-Bonden, usw.) mehrerer Einzelelemente bis hin zu beispielsweise einigen cm erweitert werden. Die zu filternden Partikelgrößen für die Anwendung der Wasseraufbereitung liegen beispielsweise bei 100 µm (z.B. Sandablagerungen) bis hin zu 0,1 µm (Bakterien). Dies bedeutet für die Perforation eines dieser Erfindung zu Grunde liegenden Mikrofilters bzw. der Membran, dass die Lochgrößen oder Porengrößen bei 0,1 µm und größer liegen. Um noch kleinere Partikel filtern zu können (z.B. Umkehrosmose) können auch zusätzlich eine der funktionalen Filterschichten bzw. Filterstrukturbereiche auf einem Substrat porosiziert werden, um auf diese Weise statistisch verteilte, sehr kleine Poren zu erzeugen. Durch die serielle Hintereinanderreihung mehrerer Filter, die sich im Durchmesser ihrer Lochgrößen oder Porengröße unterscheiden, ist eine abgestufte Trennung diverser Verunreinigungen und Partikel aus dem Wasser möglich. Alternativ zu einer seriellen Hintereinanderschaltung mehrerer Filterelemente mit verschiedenen Lochgrößen oder Porengrößen, wobei jedes Einzelelement eine bestimmte Lochgröße oder Porengröße aufweist, kann auch eine einzige Membranfläche (z.B. 6 Zoll Wafergröße) verschiedene Lochgrößen oder Porengrößen enthalten. Dies wird z.B. durch Anwendung von in der Mikrosystemtechnik etablierten Lithographieverfahren möglich mit anschließender Ätzung der Löcher, beispielsweise mittels DRIE. Des Weiteren können die Filterelemente parallel in einer Ebene verschaltet bzw. montiert werden, um die Durchmesser der Filtermodule bis auf mehrere Meter auszuweiten. Der Füllgrad der Filterfläche beträgt in den benannten Beispielen zwischen 70% und 90%. Die Veränderung der Lochgrößen und deren Anordnung erlaubt eine beliebige Erhöhung bzw. Erniedrigung dieses Füllgrades.
Ein weiteres Beispiel für den Einsatz einer Mikrofilter-Membran für Flüssigkeiten, z.B. im Lebensmittelbereich, kann einen Wasserstrom von bis zu einigen 1000 l/m²/h bei einem Druck von bis zu 2 bar bewältigen. Dazu dient eine Silizium-basierte Membranschicht mit einem Durchmesser eines 6 Zoll-Substrates (150mm), einer Filter-Schichtdicke von etwa 10µm, sowie Lochgrößen oder Porengrößen von 0,1µm bis 8µm.
Die mechanische Stabilität der Filterelemente kann für alle aufgeführten Anwendungen durch zusätzliche mechanische Verstrebungen/Strukturen bzw. Materialoptimierungen (z.B. auch durch Änderung der intrinsischen Spannungen nach Dotierstoffzugaben usw.) angepasst werden. Beispielsweise weist Siliziumkarbid mit einem Elastizitätsmodul E von etwa 300 GPa (je nach Kristallinitätszustand) eine höhere Festigkeit auf als Silizium mit etwa E = 150 GPa. Zudem ist es möglich durch Einsatz von Mehrschichtsystemen bzw. Aneinanderreihung mehrerer Filtereinheiten die Bruchfestigkeit der Membrane und damit den Maximaldruck anzupassen.
Der Vorteil der in dieser Erfindung beschriebenen Herstellungsverfahren basierend auf Dünnschichttechnologien zur Erzeugung von Mikrofiltersystemen ist die schnelle und unkomplizierte Justierbarkeit der Filtereigenschaften an die jeweilige zu filternde Flüssigkeit, an deren Viskosität, an die Fließgeschwindigkeit, usw. Die Filterdicke ist vollkommen unabhängig von der Anwendung, da zudem mittels der erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren die Filterdicke durch Mehrschichtsysteme, Verstrebungen oder Materialkombinationen flexibel gestaltet werden kann.
Ein weiteres Beispiel für einen interessanten Anwendungsbereich ist die Medizin- und Diagnosetechnik (Lab-on-a-chip). Diese arbeitet beispielsweise mit im Vergleich zur Wasseraufbereitung geringeren Durchflussmengen von nur 1µl/sec bis 15µl/min bei Drücken von 10mbar bis 20mbar, aber auch bis zu 200mbar. Im Bereich der Osmose liegen die Durchflussmengen bei wenigen nl/sec. Da die Medizin- und Diagnosetechnik in der Regel mit sehr kleinen Endmodulgrößen arbeitet (siehe Anwendungen), sind auch die Filterabmessungen geringer. Die Membrangrößen liegen z.B. bei Durchmesser von ca. 500µm-1000µm. Die Lochgrößen oder Porengrößen sind ebenfalls an die zu trennenden Partikel anzugleichen. Bei einer Ultrafiltration von Viren liegen die Lochgrößen oder Porengrößen z.B. bei 100 nm bis runter zu 5 nm. In Kombination mit Lochgrößen oder Porengrößen von 5µm bis 100µm sind auch hier zusätzliche Bestandteile aus der zu filternden Flüssigkeit eliminierbar. Werden die Filteroberflächen zusätzlich noch mit entsprechend chemisch aktiven Substanzen (z.B. polare Schichten) versehen, so können zu dem eigentlichen mechanischen Filtern auch noch weitere „Funktionen/Handlungen“ genutzt werden, beispielsweise zur Trennung von DNA-Molekülen.
Die Anwendungen reichen von der Durchflussbegrenzung in Infusionsvorrichtungen, über Ventile und Filter in Mikropumpen bis hin zu Sortiersystemen für Zellen, DNA, usw. Vor allem bei Mikropumpen ist der Marktsektor attraktiv. Hierbei ist es z.B. wichtig, dass ein Filter die impulsartigen Druckstöße glättet. Ebenso lassen sich diese Mikrofilter in Dosiersystemen einsetzen, z.B. im Medizinbereich (Atemwegspray), aber auch im Konsumbereich (Deo-Sprays).
Fertigungsseitig eröffnet die in der Mikroelektronik und Mikromechanik etablierte Wafer-Technologie neue Potentiale zur Herstellung von Filtersystemen. Mit Hilfe der Mikrosystemtechnik können erfindungsgemäße Filtereinrichtungen oder Siebeinrichtungen mit Lochgrößen oder Porengrößen bis hin zum Nanometerbereich hergestellt werden. Die Basis dafür bilden Siliziumwafer auf denen tausende von Mikrofiltereinrichtungen gleichzeitig prozessiert werden können. Ein weiterer Vorteil der in der Halbleitertechnik angesiedelten Fertigungsverfahren liegt in der Möglichkeit durch präzise Prozesse homogene und definierte Lochstrukturen oder Porenstrukturen als Filtereinrichtungen bzw. Membranfilter herzustellen.
Die Erfindung beschreibt nun die mikrotechnologische Herstellung von Filtereinrichtungen, basierend auf Materialien, wie beispielsweise hochfestem Siliziumcarbid. Solches Siliziumcarbid zeichnet sich gegenüber polymeren Mikrosiebmaterialien durch seine äußerst gute Korrosionsbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen, seine hervorragenden mechanischen Eigenschaften, eine sehr gute Temperaturwechselbeständigkeit und eine geringe Wärmedehnung, eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Härte, sowie eine hohe Verschleißfestigkeit und chemische Stabilität aus. Ebenfalls eignen sich als Membranmaterialien für die erfindungsgemäßen Filtereinrichtungen, je nach Endanwendung, auch beispielsweise Silizium bzw. siliziumhaltige Materialien, wie z.B. Siliziumnitride, Siliziumdioxide oder auch andere Materialien oder Materialkombinationen, darunter diverse Metalle, magnetische Materialien sowie Legierungen (z.B. aus Eisen, Kobalt, Nickel usw.), Polymere, Glas usw..
Ein großer Vorteil der Erfindung ist zudem, dass zur Fertigung der Filtereinrichtungen auf eine etablierte Großserienfertigung zur Herstellung mikromechanischer Bauteile zurückgegriffen werden kann. Ziel ist es hierbei u.a., wie bei zahlreichen MEMS-Produkten, eine Kostenführerschaft zu erlangen.
Die Erfindung stellt ein Verfahren bereit, welches die Herstellung von filigranen Filtereinrichtungen, wie z.B. die Herstellung von ultradünnen Einzelsiebelementen, und u.a. eine einfache und zuverlässige Vereinzelung der Filtereinrichtungen bzw. Membranfilter erlaubt. Dabei kann vorzugsweise, muss aber nicht, auf ein Wafertrennverfahren z.B. mittels Laserschneiden oder mittels Sägen verzichtet werden. Hierzu kommen wesentliche Neuheiten, die im Vergleich zu den vorhandenen Produkten von Vorteil sind. Dazu zählt beispielsweise die dreidimensionale Strukturierung der Membranschicht bzw. Funktionsschicht, die als Filter genutzt wird, wodurch diese beim Ablösen mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren als Mehrfach-Filtermodule sowohl in zweidimensionaler als auch in dreidimensionaler Ausrichtung produziert werden können, wodurch spätere Aufbau- und Verbindungstechniken erleichtert werden oder ganz entfallen.
Der Kern der Erfindung besteht u.a. in einem zur Herstellung insbesondere von Mikro- und Nano-Filtereinrichtungen neuartigen Ansatz, bei welchem mikromechanische Prozesse eingesetzt werden, wie z.B. das Abscheidung von Temperaturbudget gerichtet werden und/oder dem oder den Ätzmedien der folgenden Schicht oder Schichten auf dem Substrat 10.
Auf das Substrat 10 wird in der ersten Ausführungsform der Erfindung wenigstens eine Opferschicht 12 aufgebracht bzw. abgeschieden und zusätzlich strukturiert. Die auf das Substrat 10 aufgebrachte Opferschicht 12 kann beispielsweise aus Silizium bestehen oder dieses aufweisen, wie z.B. Silizium-Germanium, oder aus einem anderen als Opferschicht 12 geeigneten Material oder Materialkombination bestehen. Die Strukturierung bzw. teilweise Entfernung dieser Opferschicht 12 erfolgt hierbei beispielsweise mittels eines geeigneten Ätzmediums. Als Ätzmedien können z.B. Chlortrifluorid oder Xenodifluorid verwendet werden, um zwei Beispiele zu nennen. In der Bosch eigenen Patentanmeldung DE 10 2004 036 803 A1 ist beispielsweise ein SiGe-Opferschichtprozess beschrieben. Als Opferschicht kann ebenso auch eine polymere Opferschicht verwendet werden (z.B. ein thermisch zersetzbares Polymer). Diese Opferschicht kann dann beispielsweise auch photolithographisch strukturiert werden. Die Entfernung der Opferschicht kann über Temperatureinwirkung erfolgen.
Die auf das Substrat 10 aufgebrachte jeweilige Opferschicht 12 kann, wie zuvor beschrieben, z.B. aus Silizium-Germanium bestehen, welches beispielsweise mittels LPCVD (low pressure chemical vapour deposition), PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition), MOCVD (metal organic chemical vapour deposition) und/oder epitaktisch auf das Substrat 10 abgeschieden wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Verfahren zum Abscheiden einer Opferschicht 12 auf ein Substrat 10 beschränkt. Grundsätzlich kann jedes andere geeignete Verfahren eingesetzt werden.
Alternativ kann auch z.B. Siliziumdioxid als Opferschicht 12 verwendet werden, beispielsweise thermisches Oxid oder CVD-Oxid. Zur späteren Opferschichtentfernung und/oder zusätzlichen Strukturierung wird hierbei z.B. flüssige oder dampfförmige Flusssäure als Ätzmedium eingesetzt. In jedem Fall muss die Funktionsschicht des Substrats 10, die die spätere Membran- bzw. Filterschicht bildet, selektiv zum jeweiligen Opfermaterial sein.
Dünnschichtsystemen auf ein Substrat in Kombination mit anisotropen, isotropen, trocken- und/oder nasschemischen Ätzprozessen. Die mikromechanischen Prozesse werden u.a. dazu verwendet um:

- Filigrane Lochstrukturen oder Porenstrukturen in den Membranen bzw. Filtereinrichtungen zu erzeugen,
- Einzelsiebelemente zu separieren bzw. zu trennen,
- flexible Mikrofilterfiltereinrichtungen, Siebarrays usw. herzustellen, und
- den Transfer von ultradünnen Sieben auf sog. „low-cost“ Substrate wie z.B. Glas oder Polymer zu ermöglichen.

Für alle Anwendungen gilt, dass die Herstellung der Filtereinrichtungen in variablen Größen erfolgen kann. Dabei richten sich Parameter der Filtereinrichtung wie z.B. die Filterdicke bzw. Filterhöhe, die Filterbreite, die Filterlänge, die Filterform bzw. Filtergeometrie, die Form, die Größe und/oder die Verteilung bzw. Positionen der Filterlöcher oder Filterporen, und/oder die Anzahl der Filterschichten in einer Filtereinrichtung beispielsweise nach dem jeweiligen Anwendungsfeld der Filtereinrichtung. Mit anderen Worten, die vorgenannten Parameter können je nach Funktion und Einsatzzweck der Filtereinrichtung beliebig variiert werden. Dies gilt für alle Ausführungsformen der Erfindung, insbesondere auch für die nachfolgenden Beispiele von Ausführungsformen der Erfindung gemäß der 1 bis 14.
In 1 ist ein Substrat 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt, welches zunächst mit einer Opferschicht 12 versehen wird. Die Opferschicht 12 wird zusätzlich strukturiert, wie in 1 gezeigt ist.
Als Substrat 10 wird beispielsweise ein Wafer, wie z.B. ein Siliziumwafer, bereitgestellt. Neben einem Wafer, z.B. aus Silizium oder einer Siliziumlegierung, können aber auch andere Materialien oder Materialkombinationen verwendet werden, wie z.B. Glas, ein oder mehrere Polymere usw., um nur einige weitere Beispiele für Substratmaterialien zu nennen. Die Erfindung ist jedoch auf diese Beispiele nicht beschränkt. Grundsätzlich kann jedes andere Material oder jede andere Materialkombination verwendet werden, die als Substrat 10 geeignet ist. Die Wahl des Substrats 10 kann hierbei beispielsweise nach dem
Durch eine zusätzliche Strukturierung der Opferschicht 12 können dabei z.B. ein oder mehrere Vorsprünge oder mechanische Stabilitätselemente, sowie Strukturen zur Spannungsrelaxation (d.h. dem Abbau mechanischer Schichtspannungen) in der nachfolgenden Funktionsschicht bzw. Membran- oder Filterschicht realisiert werden. Die Opferschicht 12 wird dabei z.B. so strukturiert, dass sie Vertiefungen 14 aufweist, die später die entsprechenden Vorsprünge bzw. Stabilitätselemente der Filtereinrichtung bilden. Die Fläche der Filtereinrichtung kann durch die Vorsprünge bzw. Stabilitätselemente z.B. zusätzlich abgestützt und/oder verstärkt bzw. versteift werden und so ein ungewolltes Durchbiegen oder Durchhängen der Filtereinrichtung verhindert werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei einer großen Filterfläche. Grundsätzlich sind diese Vorsprünge bzw. Stabilitätselemente aber nicht zwingend notwendig sondern stellen ein optionales Merkmal dar. Dies gilt für alle Ausführungsformen der Erfindung.
Die anschließende Membran- oder Filterschicht welche als Funktionsschicht auf die Opferschicht 12 aufgebracht wird, legt sich sozusagen in die Vertiefungen 14 oder Absenkungen der strukturierten Opferschicht 12, wie in nachfolgender 2 gezeigt ist. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass eine Stressrelaxation erzielt werden kann bzw. mechanische Spannungen in der Filtereinrichtung zumindest reduziert oder im Wesentlichen vollständig ausgeglichen werden können. Wie zuvor beschrieben bildet die Filterschicht als Funktionsschicht den Funktionsbereich. Statt einer Filterschicht oder Funktionsschicht können auch mehrere Filterschichten oder Funktionsschichten als Funktionsbereich vorgesehen werden.
Die Folge der Strukturierung der Opferschicht 12 ist eine dreidimensionale Strukturierung der über der Opferschicht 12 liegenden Funktionsschicht bzw. Membranschicht. Auf diese Weise kann, wie zuvor beschrieben, eine mechanische Stressrelaxation erzielt werden, die eine ungewollte Deformation der oberen Schicht verhindert oder zumindest reduziert. Eine solche Deformation kann auftreten, wenn die obere Schicht bzw. Funktionsschicht, welche normalerweise eine ultradünne Schicht ist, später von dem Substrat 10 und der Opferschicht 12 entfernt oder abgelöst wird. Aufgrund mechanischer Verspannungen kann es dazu kommen, dass die obere Schicht beim Ablösen nachteilig deformiert wird. Weitere Stressrelaxationen können aber auch über in bestimmter Konzentration dotierte Schichtbereiche im zweidimensionalen Bereich erzielt werden. Außerdem können, wie zuvor beschrieben, die ein oder mehreren dreidimensionalen Strukturen bzw. Vorsprünge beispielsweise als Abstandshalter zu anderen Bauteilen dienen, bei der späteren Anfertigung fertiger Module für den jeweiligen Einsatz, und/oder als zusätzliche Versteifung bzw. Verstärkung der Filtereinrichtung dienen, wobei sie dabei nicht notwendigerweise als Abstandshalter ausgebildet sein müssen. Dadurch kann einem ungewollten Durchhängen der späteren Filtereinrichtung entgegengewirkt werden. Die dreidimensionalen Strukturen bzw. Vorsprünge können in ihrer Geometrie beliebig variiert werden und beispielsweise ringförmig, eckig , rund und/oder oval ausgebildet werden, je nach Funktion und Einsatzzweck.
Grundsätzlich kann aber auch, wie nachfolgend durch die zweite und dritte erfindungsgemäße Ausführungsform insbesondere anhand der 11 und 12 beschrieben wird, auf eine eigentliche bzw. zusätzliche Opferschicht 12 oder Opferschichten 12 verzichtet werden. Dabei wird beispielsweise das Substrat 10, z.B. ein einkristallines Siliziumsubstrat, durch z.B. eine isotrope Trockenätzung geopfert, d.h. beispielsweise strukturiert oder der nicht als Funktionsschicht bzw. Funktionsbereich dienende Teil des Substrats entfernt. In diesem Fall kann die Funktionsschicht (Funktionsbereich) bzw. die Membranschicht selektiv zu dem Substratmaterial sein. Alternativ kann bei fehlender Selektivität der Opferbereich durch geometrische Vorhalte im Layout der Filterschicht oder durch den zusätzlichen Einsatz von Passivierungsschichten in den gewünschten Bereichen entfernt werden.
Die Strukturierung und/oder Entfernung der Opferschicht 12 oder Opferschichten 12 kann in den vorgenannten Fällen z.B. nasschemisch und/oder trockenchemisch erfolgen, wobei die Strukturierung wahlweise zusätzlich beispielsweise mit einer Plasmaunterstützung in z.B. fluorhaltigen Gasen, wie z.B. CF₄, SF₆ oder ClF₃, erfolgen kann. Bei einer gewünschten Anisotropie von einem siliziumhaltigen Opferschichtmaterial oder -materialien kann auch eine aus Ätzungsgasen und/oder Passivierungsgasen alternierender, plasmabasierter Strukturierungsprozess erfolgen.
In 2 ist nun das Substrat 10 mit der strukturierten Opferschicht 12 aus 1 mit wenigstens einer Funktionsschicht 16 als Funktionsbereich versehen, welche später die Membranschicht oder Filterschicht 18 bildet.
Die jeweilige Funktionsschicht 16 wird hierbei als oberste Schichtlage auf das Substrat 10 mit der, im vorliegenden Beispiel, zusätzlich strukturierten Opferschicht 12 aufgebracht. Diese Funktionsschicht 16 besteht beispielsweise aus Verbindungen auf der Basis von Silizium, Siliziumcarbid SiC, Siliziumnitirid Si₃N₄ und/oder Silizium-Germanium SiGe (im Fall einer Oxidopferschicht). Alternativ oder zusätzlich kann die Funktionsschicht 16 aber auch aus Metall, wie z.B. Aluminium, Titan, Wolfram usw., einer entsprechenden Metalllegierung, einem oder mehreren Polymeren oder Polymergemischen, und/oder Keramik, wie beispielsweise Al₂O₃ usw., bestehen oder dieses aufweisen.
Die Abscheidung der wenigstens einen Funktionsschicht 16 auf das beispielsweise zusätzlich strukturierte Substrat 10 in 11 oder auf das Substrat 10 mit strukturierter Opferschicht 12 in 1 und 2, erfolgt z.B. mittels einer Dünnschichttechnik, wie z.B. LPCVD, PECVD, MOCVD, und/oder epitaktisch. Aufgrund der Konformität entsprechender Abscheidungsverfahren werden die zuvor strukturierten Bereiche des Substrats 10 oder die strukturierten Opferschichtbereiche des Substrats 10 sozusagen aufgefüllt und es entsteht ein jeweiliger Vorsprung 20, welcher die spätere dreidimensionale Struktur darstellt bzw. bildet.
3 zeigt das Substrat 10 mit der Opferschicht 12 und der Funktionsschicht 16 gemäß 2, wobei die Funktionsschicht 16 in 3 strukturiert ausgebildet ist.
Bei der Strukturierung der Funktionsschicht 16 werden hier durchgehende Löcher 22 oder Poren in die Funktionsschicht 16 eingebracht, um die Funktionsschicht 16 als Filterschicht 18 bzw. Membranschicht auszubilden. Dabei wird beispielsweise mittels einem Lithographieverfahren und Ätzverfahren, z.B. dem hochpräzisen Lithographieverfahren und Ätzverfahren des Bosch eigenen Patents DE 42 41 045 C1 , die Funktionsschicht 16 strukturiert und dabei eine beispielsweise vorbestimmte bzw. gezielte homogene bzw. gleichmäßige und/oder inhomogene bzw. unregelmäßige Verteilung von Löchern bzw. Poren 22 in der Funktionsschicht 16 ausgebildet.
Hochpräzise anisotrope Ätzverfahren, wie sie beispielsweise in dem Bosch eigenen Patent DE 42 41 045 C1 beschrieben sind, erlauben dabei die Fertigung von sehr kleinen und einheitlichen bzw. homogenen Löchern 22 bzw. Öffnungen. Durch die Anisotropie des Ätzprozesses können hierbei auch dickere Filterschichten 18 noch mit einem entsprechenden senkrechten Profil geätzt werden. Alternativ kann bei z.B. dünneren Schichten auch das Ätzen mittels konventioneller isotroper Prozesse erfolgen. Es können aber auch anisotrope Ätzverfahren und isotrope Ätzverfahren miteinander kombiniert werden. Neben den Löchern bzw. Poren 22 können wahlweise zusätzlich hierbei auch beispielsweise Ätzgräben 24 angelegt werden, in dem oder den Bereichen in denen die Chips oder Arrays beispielsweise später vereinzelt werden sollen.
In 4 ist das Substrat 10 und die strukturierte Funktionsschicht 16 gemäß 3 gezeigt, wobei in 4 die Opferschicht hierbei zwischen dem Substrat 10 und der Funktionsschicht 16 entfernt ist. Wie in 4 gezeigt ist, erfolgt die Entfernung der Opferschicht beispielsweise mittels eines isotropen Ätzverfahrens. Das Ätzmedium dringt dabei durch die in der Funktionsschicht 16 geätzten Bereiche, hier z.B. Poren oder Löcher 22 und Ätzgräben 24. Als Ätzmedium wird hierbei beispielsweise Chlortrifluorid oder Xenodifluorid verwendet.
In 5 ist des Weiteren ein Substrat 10 mit wenigstens einer Funktionsschicht 16 als Funktionsbereich gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei auf eine Opferschicht verzichtet wurde.
Eine Abwandlung bei der Erzeugung von erfindungsgemäßen Membranen beispielsweise für Mikro- und Nanofiltrationseinrichtungen ist der Verzicht auf eine Opferschicht oder Opferschichten. In diesem Fall wird bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung die Funktionsschicht 16 unmittelbar auf das Substrat 10, z.B. das Silizium-Substrat, aufgebracht, wie im Folgenden anhand von 11 noch genauer beschrieben wird.
In einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform bildet das Substrat 10, z.B. das Siliziumsubstrat, wiederum selbst die Funktionsschicht bzw. den Funktionsbereich und wird z.B. durch eine Maske mit Löchern oder Poren 22 zunächst beispielsweise anisotrop bis in eine vorbestimmte Tiefe strukturiert, wie im nachfolgenden anhand von 12 näher erläutert wird. Anschließend wird das Siliziumsubstrat 10 z. B. isotrop geätzt. Das Ätzen des Substrats 10 kann hierbei beispielsweise mittels trockenchemischer isotroper Ätzprozesse erfolgen, welche z.B. auf fluorhaltigen Gasen basieren, wie z.B. SF₆, ClF₃ usw., wobei der Ätzprozess des Weiteren beispielsweise mit oder ohne Plasmaaktivierung durchgeführt werden kann.
Nach dem Anlegen der Löcher oder Poren 22 in der Funktionsschicht 16 in 5 kann durch diese Löcher oder Poren 22 hindurch das Ätzmedium gelangen, das zur Entfernung der darunter liegenden Schicht oder Schichten dient, die sog. Opferschichtätzung. Bei der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform, wie sie in 5 gezeigt ist, wird hierbei das Substrat 10 unterhalb der Funktionsschicht 16 entfernt bzw. weggeätzt. Bei einem Aufeinadertreffen der Ätzfronten unterhalb der Löcher oder Poren 22 löst sich hierbei schließlich die Funktionsschicht 16 von dem Substrat 10 ab. Dabei können die Chips vereinzelt, sowie die Membranfilterelemente bzw. ultradünnen Membranfilterelemente mit z.B. jeweils einer Filterschicht 18 erzeugt werden.
In 6 ist des Weiteren eine erfindungsgemäße Filtereinrichtung 26 mit beispielsweise wenigstens zwei Membranschichten bzw. einer ersten und zweiten Filterschicht 18, 28 dargestellt, welche in einem sog. Doppel-Prozess hergestellt werden. Bei dem sog. Doppel-Prozess wird die Opferschichtabscheidung und Funktionsschichtabscheidung, wie sie zuvor beispielhaft in 4 dargestellt wurde, wenigstens einmal wiederholt, um dabei wenigstens eine zweite, untere Membranschicht bzw. Filterschicht 28 herzustellen. Die zweite, untere Membranschicht 28 kann dabei beispielsweise als Vorfiltereinrichtung und/oder zur Stabilisierung der ersten, oberen Membranschicht bzw. Filterschicht 18 ausgebildet werden.
Der Doppel-Prozess oder Mehrfach-Abscheideprozeß, bei welchem die Opferschichtabscheidung und die Funktionsschichtabscheidung wenigstens einmal wiederholt wird, erlaubt hierbei beispielsweise die zusätzliche Fertigung der wenigstens zweiten bzw. unteren Membranschicht 28 z.B. mit einer zur ersten, oberen Membranschicht 18 gleichen oder veränderten Porengröße oder Lochgröße. Mit anderen Worten, die Porengröße bzw. Lochgröße der unteren, zweiten Membranschicht 28 kann beispielsweise kleiner, gleich und/oder größer als die Porengröße bzw. Lochgröße der oberen, ersten Membranschicht 18 sein. Diese zweite Membranschicht 28 kann dabei wie zuvor beschrieben beispielsweise einerseits als Vorfilter dienen. Andererseits kann die zweite Funktionsschicht 28 mit wenigstens einem Stabilisierungselement, z.B. einem Rahmen 30, einem Gitter und/oder einem Vorsprung, zur Stabilisierung der oberen Membranschicht 18 verwendet bzw. ausgebildet werden, wie in 6 gezeigt ist. Dabei kann auch die erste und/oder zweite Membranschicht 18 mit Stabilisierungselementen in Form von Vorsprüngen 20 ausgebildet sein.
7 zeigt weiter beispielhaft ein Array 32 aus Einzelsiebeinrichtungselementen bzw. Filtereinrichtungen 26, die „in-situ“ mittels eines Mehrfach-Abscheideprozesses von Opferschicht und Funktionsschicht hergestellt 16 werden. Die Einzelsiebeinrichtungselemente 26 weisen dabei jeweils beispielsweise eine obere, erste Funktionsschicht 16 oder Filterschicht 18 und eine untere, zweite Funktionsschicht 16 oder Filterschicht 28 auf.
Hierbei kann z.B. die zweite, untere Funktionsschicht 16 oder Filterschicht 28 mehrere oder alle Einzelsiebeinrichtungselemente „in-situ“ zu einem Array 32 verbinden, wie in 7 gezeigt. Der Vorteil ist, dass nachträgliche Chip-Verbindungsprozesse, wie beispielsweise Klebeprozesse usw., entfallen können. Das Ganze kann auch statt als Doppel-Prozess, bei welchem die Opferschichtabscheidung und die Funktionsschichtabscheidung nur einmal wiederholt wird, auch als Mehrfachprozess ausgeführt werden, bei welchem die Opferschichtabscheidung und die Funktionsschichtabscheidung mehrfach d.h. wenigstens zweimal wiederholt werden.
In 8 ist die Verbindung der ultradünnen Einzelsiebeinrichtungselemente bzw. Filtereinrichtungen 26 vor dem Opferschichtätzen mittels einer Halterung oder eines Rahmens 34 (Transferrahmen) gezeigt. Zur Aufnahme der ultradünnen Filtereinrichtungen 26 können, vor dem Opferschichtätzen, auf die Vorderseite der Funktionsschicht 16 beispielsweise separate Halterungen oder Rahmen 34 aufgebracht werden. Die Halterung bzw. der Rahmen 34 kann dabei beispielsweise aus Glas, einem oder mehreren Polymeren, Metall, einer Metalllegierung und/oder einem zweiten Wafer, z.B. einem Siliziumwafer, gebildet werden. Das Aufbringen des Rahmens 34 auf die Vorderseite der zugeordneten Funktionsschicht 16, d.h. z.B. einer unteren oder oberen Funktionsschicht 16, kann über konventionelle Waferbondprozesse erfolgen, wie sie beispielsweise in der Bosch eigenen Patentanmeldung DE 10 2005 032454 A1 beschrieben sind. Der vorderseitige Rahmen kann analog zu dem oben beschriebenen Doppelprozess vorderseitig hergestellt werden.
Auf diese Weise ist gleichzeitig mit dem Opferschichtätzen ein Transfer der Membrane zur späteren Weiterverarbeitung möglich. Die Rahmen bzw. Halterungen können in ihrer Form bzw. Geometrie und/oder Dimensionierung beliebig variiert werden und beispielsweise an die späteren Anwendungen entsprechend angepasst werden.
9 zeigt eine Abfolge von Siebeinrichtungselementen oder Filtereinrichtungen 26 innerhalb eines größeren Arrays 32. Die Siebeinrichtungselemente 26 sind hierbei beispielsweise in mehreren Reihen gestapelt bzw. aufeinander geschichtet und bilden eine dreidimensionale Stapelung. Mit anderen Worten, die Siebeinrichtungselemente sind in dem in 9 gezeigten Beispiel vertikal seriell aneinander gereiht, beispielsweise mittels eines Waferbondprozesses.
Auf diese Weise ist es möglich, ein „Einzelsiebeinrichtungselement“ in Wafergröße mittels eines Waferbondprozesse zu verwenden. Die Stabilität der ultradünnen, großflächigen Filterschicht (Durchmesser = Wafergröße : z.B. 6" oder 8" usw.) nach Ablösen der Opferschicht wird dann durch den z.B. gebondeten Rahmen bzw. die gebondete Halterung sichergestellt.
10 zeigt nun anhand eines Ablaufdiagramms, die erste Ausführungsform der Erfindung.
Dabei wird in einem ersten Schritt S1 zunächst ein Substrat bereitgestellt, beispielsweise ein Siliziumwafer. Auf das Substrat wird anschließend in einem nächsten Schritt S2 wenigstens eine Opferschicht aufgebracht, beispielsweise aus Silizium-Germanium SiGe oder einem anderen geeigneten Material oder Materialkombination. Diese Opferschicht wird zusätzlich strukturiert werden und hierzu mit wenigstens einer Vertiefung oder Vertiefungen bzw. Aussparungen versehen, welche beispielsweise jeweils ein Stabilisierungselement an der späteren Filtereinrichtung bilden. Das Strukturieren der Opferschicht erfolgt z.B. mittels eines geeigneten Ätzmediums, wie z.B. Chlortirfluorid usw. Auf die Opferschicht wird anschließend in einem Schritt S3 wenigstens eine Funktionsschicht als Funktionsbereich aufgebracht, welche die spätere Membranschicht bzw. Filterschicht bildet. Wie zuvor beschrieben besteht die Funktionsschicht beispielsweise aus Verbindungen auf der Basis von Silizium, einem Metall oder einer Metalllegierung oder Keramik usw.. Die Funktionsschicht wird nach dem Abscheiden auf die Opferschicht in einem Schritt S4 mit entsprechenden Poren bzw. Löchern versehen, um eine Filterschicht der Filtereinrichtung auszubilden. Die Poren bzw. Löcher können in der Funktionsschicht durch Ätzen hergestellt werden, beispielsweise durch isotropes und/oder anisotropes Ätzen. Dabei können wahlweise neben den Poren bzw. Löchern zusätzlich wenigstens ein oder mehrere Gräben oder Ätzgräben in der Funktionsschicht ausgebildet werden, z.B. in den Bereichen in denen später, wenn mehrere Filtereinrichtungen ausgebildet werden, die Filtereinrichtungen vereinzelt werden sollen.
Je nachdem ob eine Filtereinrichtung beispielsweise mit einer oder mehreren Funktionsschichten oder Filterschichten ausgebildet werden soll, werden die Schritte S2, S3 und S4 wiederholt, wie zuvor mit Bezug z.B. auf den sog. Doppel-Prozess beschrieben wurde.
Anschließend wird die Opferschicht in einem Schritt S5 entfernt. Hierzu wird z.B. ein Ätzmedium durch die Löcher bzw. Poren der Funktionsschicht geleitet, um die darunter liegende Opferschicht zu entfernen bzw. die Funktionsschicht von der Opferschicht zu lösen. Dabei kann die Funktionsschicht, wenn diese mehrere Filtereinrichtungen bildet, gleichzeitig über Ätzgräben vereinzelt werden und so einzelne Filtereinrichtungen bzw. ultradünne Membranfiltereinrichtungen erzeugt werden. Das Entfernen der Opferschicht und des damit verbundenen Substrats von der Funktionsschicht mittels Ätzen hat den Vorteil, dass es sehr einfach und kostengünstig durchgeführt werden kann, wobei ultradünne Filtereinrichtungen herstellbar und handhabbar sind. Prinzipiell kann die Opferschicht und das Substrat auch mittels anderer Verfahren, beispielsweise durch Abschleifen, entfernt werden (Verlust Substratmaterial). Das Entfernen des Substrats mittels Ätzen erlaubt jedoch eine besonders gute Handhabbarkeit und das Herstellen von besonders filigranen Filtereinrichtungen.
Wahlweise kann in einem zusätzlichen Schritt S6 wenigstens eine Halterung oder ein Rahmen an einer oder mehreren Filtereinrichtungen angebracht werden, beispielsweise mittels eines herkömmlichen Waferbondprozesses. In einer Ausführungsform der Erfindung können dabei die Schritte S2, S3, S4, S5 und S6 auch wenigstens zweimal oder öfter bzw. mehrmals wiederholt werden, um auf diese Weise Filtereinrichtungen mit Rahmen oder Transferrahmen herzustellen. 11 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Herstellung einer Filtereinrichtung, welches nicht zur Erfindung gehörig ist. Es unterscheidet sich dabei von der ersten Ausführungsform dadurch, dass in der zweiten Ausführungsform ein Substrat und wenigstens eine zusätzliche Funktionsschicht (Funktionsbereich) aber keine extra Opferschicht verwendet wird, stattdessen fungiert das Substrat gleichzeitig auch als Opferschicht.
In einem ersten Schritt A1 wird ein Substrat bereitgestellt, beispielsweise ein Siliziumwafer. Dabei kann das Substrat wahlweise zusätzlich strukturiert werden und beispielsweise mit wenigstens einer oder mehreren Vertiefungen oder Aussparungen versehen werden, um beispielsweise Stabilitätselemente in der späteren Funktionsschicht bzw. Filtereinrichtung auszubilden. Zum Strukturieren wird das Substrat beispielsweise entsprechend geätzt.
Auf das Substrat wird anschließend in einem nächsten Schritt A2 wenigstens eine Funktionsschicht als Funktionsbereich aufgebracht, welche die spätere Membranschicht bzw. Filterschicht bildet. Wie zuvor beschrieben, besteht die Funktionsschicht beispielsweise aus Verbindungen auf der Basis von Silizium, einem Metall oder einer Metalllegierung oder Keramik usw.. Zum Ausbilden der Filterschicht wird die Funktionsschicht nach dem Abscheiden auf das Substrat in einem nächsten Schritt A3 mit entsprechenden Poren oder Löchern versehen. Die Poren oder Löcher können in der Funktionsschicht dabei mittels Ätzen hergestellt werden, beispielsweise mittels isotropen und/oder anisotropen Ätzen. Neben den Poren oder Löchern können wahlweise zusätzlich wenigstens ein oder mehrere Gräben oder Ätzgräben in der Funktionsschicht ausgebildet werden, z.B. in den Bereichen in denen später, wenn mehrere Filtereinrichtungen ausgebildet werden, die Filtereinrichtungen vereinzelt werden sollen.
Abhängig davon, ob eine Filtereinrichtung beispielsweise mit einer oder mehreren Funktionsschichten oder Filterschichten ausgebildet werden soll, können die Schritte A1, A2 und A3 wiederholt werden, ähnlich dem sog. Doppel-Prozess wie er zuvor anhand der ersten Ausführungsform beschrieben wurde.
In einem Schritt A4 wird anschließend das Substrat entfernt, um die Funktionsschicht von dem Substrat zu trennen. Dabei wird z.B. ein Ätzmedium durch die Löcher bzw. Poren der Funktionsschicht geleitet, um das Substrat darunter zu entfernen bzw. die Funktionsschicht von dem Substrat abzulösen. Wie zuvor beschrieben, kann die Funktionsschicht, wenn diese mehrere Filtereinrichtungen bildet, gleichzeitig über Ätzgräben vereinzelt werden, so dass einzelne Filtereinrichtungen bzw. ultradünne Membranfiltereinrichtungen erzeugt werden. Neben dem Ätzen kann das Substrat auch mittels anderer Verfahren, beispielsweise durch Abschleifen, von der Funktionsschicht entfernt werden.
In einem zusätzlichen Schritt A5 kann wahlweise wenigstens eine zusätzliche Halterung oder ein zusätzlicher Rahmen an einer oder mehreren Filtereinrichtungen angebracht werden, beispielsweise mittels eines herkömmlichen Waferbondprozesses.. In einer Ausführungsform der Erfindung können dabei die Schritte A1, A2, A3, A4 und A5 auch wenigstens zweimal oder öfter bzw. mehrmals wiederholt werden, um auf diese Weise Filtereinrichtungen mit Rahmen oder Transferrahmen herzustellen.
12 zeigt weiter ein Ablaufdiagramm zur Herstellung einer Filtereinrichtung , welches nicht zur Erfindung gehörig ist. Es unterscheidet sich dabei vom Ablauf nach 11 dadurch, dass nur ein Substrat verwendet wird und keine zusätzliche Funktionsschicht, stattdessen fungiert das Substrat gleichzeitig auch als Funktionsschicht.
In einem ersten Schritt B1 wird ein Substrat bereitgestellt, beispielsweise ein Siliziumwafer.
In einem nächsten Schritt B2 wird ein Teil des Substrats als Funktionsschicht (Funktionsbereich) verwendet und entsprechend mit Löchern oder Poren versehen zum Ausbilden einer Filterschicht der späteren Filtereinrichtung. Die Poren bzw. Löcher können in dem Substrat, beispielsweise mittels isotropen und/oder anisotropen Ätzen hergestellt werden. Dabei werden die Löcher bzw. Poren bis zu einer vorbestimmten Tiefe in dem Substrat ausgebildet z.B. in das Substrat geätzt. Neben den Poren bzw. Löchern können wahlweise zusätzlich wenigstens ein oder mehrere Gräben oder Ätzgräben in dem ausgebildet werden, z.B. in den Bereichen in denen später, wenn mehrere Filtereinrichtungen ausgebildet werden, die Filtereinrichtungen vereinzelt werden sollen.
Das Substrat kann außerdem wahlweise zusätzlich strukturiert werden und hierzu beispielsweise mit wenigstens einem oder mehreren Vorsprüngen versehen werden, um beispielsweise Stabilitätselemente in der späteren Filtereinrichtung auszubilden. Das Strukturieren des Substrats erfolgt dabei beispielsweise mittels Ätzen, wobei das jeweilige Ätzmedium durch z.B. einen Teil der Poren bzw. Löcher geleitet wird, um einen entsprechenden Vorsprung auf der Unterseite der späteren Filterschicht freizulegen, beispielsweise durch isotropes Ätzen.
Abhängig davon, ob eine Filtereinrichtung beispielsweise mit einer oder mehreren Funktionsschichten oder Filterschichten ausgebildet werden soll, können die Schritte B1 und B2 wiederholt werden, ähnlich dem sog. Doppel-Prozess wie er zuvor anhand der ersten Ausführungsform beschrieben wurde.
In einem Schritt B3 wird anschließend der Teil des Substrats, welcher die Funktionsschicht (Funktionsbereich) bzw. die Filterschicht bildet von dem anderen Teil des Substrats entfernt, das nicht mehr gebraucht wird bzw. nicht Teil der Funktionsschicht bzw. Filterschicht ist. Hierzu wird der andere Teil des Substrats beispielsweise mittels Ätzen entfern bzw. der Teil des Substrats, welcher die Funktionsschicht bzw. die Filtereinrichtung bildet, durch z.B. isotropes Ätzen von dem anderen Teil des Substrats abgelöst. Dabei wird z.B. ein Ätzmedium durch die Löcher bzw. Poren des Teils des Substrats geleitet, der die Funktionsschicht bzw. den Funktionsbereich bildet, um den darunter liegenden Teil des Substrats zu entfernen bzw. von der Funktionsschicht (Funktionsbereich) abzulösen. Wie zuvor beschrieben, kann die Funktionsschicht, wenn diese mehrere Filtereinrichtungen bildet, gleichzeitig über die Ätzgräben vereinzelt werden, so dass einzelne Filtereinrichtungen bzw. ultradünne Membranfiltereinrichtungen erzeugt werden. Neben dem Ätzen kann der nicht mehr gebrauchte Teil des Substrats auch mittels anderer Verfahren, beispielsweise durch Abschleifen, von dem als Funktionsschicht dienenden Teil des Substrats entfernt werden.
In einem zusätzlichen Schritt B4 kann wahlweise wenigstens eine zusätzliche Halterung oder ein zusätzlicher Rahmen an einer oder mehreren Filtereinrichtungen angebracht werden, beispielsweise mittels eines herkömmlichen Waferbondprozesses. In einer Ausführungsform der Erfindung können dabei die Schritte B1, B2, B3 und B4 auch wenigstens zweimal oder öfter bzw. mehrmals wiederholt werden, um auf diese Weise Filtereinrichtungen mit Rahmen oder Transferrahmen herzustellen.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für Filtereinrichtungen gemäß der 1 bis 10 und der nachfolgenden 13a, 13b, 13c, 14a und 14b ist die Möglichkeit zur Erzeugung von Poren oder Löchern mit

1) einer definierten Lochgröße oder Porengröße, welche variabel an die jeweilige Applikation anpassbar ist,
2) eine definierte Lochgeometrie oder Porengeometrie, welche ebenfalls variabel an die jeweilige Applikation anpassbar ist,
3) eine definierter Lochanordnung oder Porenanordnung, welche variabel an die jeweilige Applikation anpassbar ist.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für Filtereinrichtungen ist die Möglichkeit zur Stapelung der Filterelemente, vor allem durch Verwendung einer Opferschicht (z.B. Silizium-Germanium-Opferschicht, aber auch Oxidopferschicht, Polymeropferschicht, usw.), siehe auch 9 und den Prozessablauf in 10. Dazu werden Opfer- und Funktionsschichten alternierend abgeschieden, wodurch nach Herauslösen der Opfermaterialien ein Filter-Stapel (oder auch so genannter Filter-Stack) entsteht. Diese Herstellung der Filterelemente mittels der beschriebenen mikromechanischen Herstellungsmethoden ist neuartig und bisher einzigartig. Durch Kombination mit den Prozessabläufen in 11 und 12 sind außerdem weitere Abwandlungen umsetzbar.
Die funktionale Schicht der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung kann ebenfalls aus so genanntem porösen Silizium (schwammartige Struktur, hergestellt durch z. B. nasschemisches Ätzen) bestehen, wobei dieses Silizium zuvor in Form einer Siliziumschicht auf die Opferschicht abgeschieden wurde, gemäß dem Prozessfluss in 10 und 14. Ebenso kann diese poröse Schicht auch aus anderen Materialien, wie z.B. porösem Siliziumcarbid, bestehen. Des Weiteren kann auch gemäß dem Prozessfluss in 11 diese funktionale Schicht direkt auf dem Substrat abgeschieden werden, oder gemäß dem Prozessfluss in 12 das Substrat selbst die funktionale Schicht bereitstellen. Das Ablösen der Filterelemente erfolgt wie zuvor beschrieben.
Gemäß der Erfindung kann poröses Silizium z.B. bei der Wasserfilterung zur Umkehrosmose zusätzlich in der Filtereinrichtung zum Einsatz kommen.
In 13a ist ein Schichtquerschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei ein Substrat mit einer Opferschicht und einem Funktionsbereich gezeigt ist und wobei der Funktionsbereich dabei beispielsweise eine Funktionsschicht aufweist. Das Ausführungsbeispiel basiert hierbei auf dem Verfahren, wie es mit Bezug auf 10 beschrieben ist. In weiteren Schritten wird zum Ausbilden der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung die Opferschicht entfernt und das Substrat von der Filtereinrichtung getrennt, wie beispielhaft zuvor anhand der 3, 4 und 5 erläutert wurde.
Wie in 13a gezeigt ist, können in der Funktionsschicht definierte bzw. vorbestimmte Poren bzw. Löcher ausgebildet werden. Genauer gesagt können Poren bzw. Löcher mit einer vorbestimmten Dimensionierung, Form und/oder Position in der Funktionsschicht bzw. dem Funktionsbereich ausgebildet werden. In dem in 13a gezeigten Beispiel weisen die Poren bzw. Löcher z.B. dieselbe Form (hier z.B. die Form eines Zylinders), dieselbe Tiefe bzw. Länge und den selben Durchmesser auf. Des Weiteren weisen die Poren bzw. Löcher eine vorbestimmte Position oder vorbestimmte Verteilung in der Funktionsschicht (Funktionsbereich) auf. So sind die Poren zw. Löcher beispielsweise zu dreier Gruppen zusammengefasst oder gruppiert.
In 13b ist eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Filtereinrichtung in einem Waferformat gezeigt. Wie aus 13b entnommen werden kann sind dabei vorbestimmte bzw. definierte Poren oder Löcher in der Filtereinrichtung ausgebildet. Die Poren bzw. Löcher weisen dabei eine vorbestimmte Position und beispielsweise einen vorbestimmten Durchmesser (Lochgröße oder Porengröße) auf. Dabei sind die Poren bzw. Löcher so angeordnet, dass in der Mitte des Wafers jeweils drei Quadrate bilden mit jeweils drei Löchern bzw. Poren auf jeder Seite des Quadrats und einem Loch oder einer Pore in der Mitte.
Weiter ist in 13c eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Filtereinrichtung im Waferformat gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel sind nun ebenfalls definierte bzw. vorbestimmte Poren oder Löcher in der Filtereinrichtung ausgebildet. Dabei sind Poren bzw. Löcher mit unterschiedlichen Formen und Anordnungen in der Filtereinrichtung ausgebildet. Ein Teil der Poren bzw. Löcher weist einen eckigen Querschnitt auf, z.B. einen rechteckigen Querschnitt, und der andere Teil der Poren bzw. Löcher einen runden Querschnitt, z.B. einen kreisförmigen Querschnitt. Des Weiteren weise die Poren bzw. Löcher, wie in 13a gezeigt ist, eine definierte oder vorbestimmte Position bzw. Anordnung auf. So sind die Poren bzw. Löcher mit dem runden Querschnitt ebenfalls, wie in 13b, z.B. zu Quadraten angeordnet mit jeweils drei Poren bzw. Löchern auf jeder Seite des Quadrats und einer Pore bzw. einem Loch in der Mitte. Die eckigen Poren bzw. Löcher sind beispielsweise in zwei Einzelreihen in der Mitte des Wafers angeordnet. An den beiden äußeren Rändern des Wafers ist wiederum jeweils eine Doppelreihe von eckigen Poren bzw. Löchern ausgebildet.
Die Poren oder Löcher können mit unterschiedlich definierten Porengrößen bzw. Lochgrößen, und Porengeometrien bzw. Lochgeometrien ausgebildet werden. Dabei sind auch Chipformate möglich, z.B. mit Kantenlängen von 1 mm × 1 mm oder 1 cm × 1 cm oder 100µm × 100µm. Die Erfindung ist aber auf diese Kantenlängen nicht beschränkt, sie dienen lediglich als Beispiel und können beliebig gewählt werden.
In 14a ist ein Schichtquerschnitt durch ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei ein Substrat mit einer Opferschicht und einem Funktionsbereich gezeigt ist und wobei der Funktionsbereich dabei beispielsweise eine Funktionsschicht aufweist. Das Ausführungsbeispiel basiert hierbei auf dem Verfahren, wie es mit Bezug auf 10 beschrieben ist. In weiteren Schritten wird zum Ausbilden der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung die Opferschicht entfernt und das Substrat von der Filtereinrichtung getrennt, wie beispielhaft zuvor anhand der 3, 4 und 5 erläutert wurde. Im Gegensatz zu dem z.B. in den 3, 4, 5 und 13a, 1b und 13 c gezeigten Ausführungsbeispielen sind in der Funktionsschicht bzw. dem Funktionsbereich undefinierte Poren oder Löcher ausgebildet. Die Funktionsschicht wurde hier porosiziert, wobei die Poren oder Löcher die dadurch in der Funktionsschicht ausgebildet werden keine definierte oder vorbestimmte Geometrie und Größe aufweisen, wie in 14a gezeigt ist. Des Weiteren weisen die so entstandenen Poren oder Löcher eine statistische Verteilung aber keine definiert oder vorbestimmte Verteilung auf, wie die Poren bzw. Löcher z.B. in den 13a, 13b und 13c. Die Porosizierung kann beispielsweise über das Herauslösen von zweiten Materialkomponenten, durch bekannte Laserstrukturierungen oder auch durch konventionelles elektrochemisches Ätzen vollzogen werden.
14b ist eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Filtereinrichtung in einem Waferformat. Wie aus 14b entnommen werden kann sind dabei undefinierte Poren oder Löcher in der Filtereinrichtung ausgebildet, welche eine statistische Verteilung auf der Fittereinrichtung aufweisen, wie die Filtereinrichtung in 14a.
Die erfindungsgemäße Filtereinrichtung kann, wie zuvor beschrieben, in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt werden, darunter beispielsweise zur Filtrationen von Feststoffen bis hin zu Stoffen im molekularen Bereich beispielsweise zum Filtern von Mikropartikeln oder Nanopartikeln, Viren, Bakterien usw. eingesetzt werden. Dies gilt für alle Ausführungsformen der Erfindung.

Claims

Verfahren zum Herstellen wenigstens einer Filtereinrichtung mit wenigstens einer Filterschicht, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen eines Substrats (10, Schritte S1, A1, B1), Bereitstellen eines Funktionsbereichs mit wenigstens einer Funktionsschicht (10, 16, Schritte S3, A2, B1, B2), Ausbilden der Funktionsschicht (10, 16) als Filterschicht (18, 28) mit wenigstens einer oder mehreren Poren oder Löchern (22, 36, 38 Schritte S4, A3, B2), und Trennen der Filterschicht (18, 28) von dem Substrat (10, Schritte S5, A4, B3), dadurch gekennzeichnet, dass eine Opferschicht (12) zwischen dem Substrat (10) und der Funktionsschicht (16) vorgesehen wird (Schritte S2, S3), dass die Opferschicht (12) strukturiert wird, wobei wenigstens ein Stabilitätselement (20) der Funktionsschicht (16) in die Opferschicht (12) oder das Substrat (10) strukturiert wird, wobei das Stabilitätselement (20) einen Abstandshalter und/oder eine Versteifungsstruktur der Funktionsschicht (16) bildet, und das Trennen der Filterschicht (18, 28) vom Substrat (10) durch Entfernen der Opferschicht (12) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschicht (18, 28) von dem Substrat (10) mittels wenigstens einem oder mehreren Ätzprozessen getrennt wird, wobei ein Ätzprozess ein nasschemischer oder trockenchemischer Ätzprozess ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung mit wenigstens zwei übereinander gestapelte Filterschichten (18, 28) ausgebildet wird, wobei die Filterschichten (18, 28) sich teilweise oder vollständig überlappen.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschicht (18, 28) wenigstens eine Pore oder ein Loch aufweist mit einer vorbestimmten oder definierten Form, Querschnitt, Porengröße oder Lochgröße, Tiefe oder Länge und/oder Position und/oder wenigstens eine Pore oder ein Loch aufweist, welche durch Porosifizieren in der Filterschicht (18, 28) ausgebildet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Funktionsschicht (16) mittels Ätzen die wenigstens eine oder die mehreren Löcher oder Poren (22, 36, 38) ausgebildet werden, um die Filterschicht (18, 28) auszubilden, wobei das Ätzen wenigstens einen isotropen Ätzschritt und/oder wenigstens einen anisotropen Ätzschritt umfasst (Schritte S4, A3, B2).
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferschicht (12) durch Ätzen oder Abschleifen entfernt wird (Schritt S5).
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschicht (18, 28) mit wenigstens einer Halterung oder einem Rahmen (30, 34) versehen wird, insbesondere mittels Waferbonden, wobei der Rahmen oder die Halterung (30, 34) zusätzlich als Filter oder Filterschicht, insbesondere als Vorfilter oder Vorfilterschicht, ausgebildet wird (Schritte S6, A5, B4, Schritte S2 bis S6, Schritte A1 bis A5, Schritte B1 bis B4).
Filtereinrichtung, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
Filtereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10), die Opferschicht (12) und/oder die Funktionsschicht (16) aus Silizium, einer Siliziumverbindung, insbesondere SiGe, SiC, Si₃N₄, Keramik, Glas, Metall, einer Metalllegierung und/oder wenigstens einem Polymer besteht oder dieses zumindest aufweist.
Filtereinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Filterschicht (18, 28) als Mikrofilterschicht und/oder Nanofilterschicht ausgebildet ist.
Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Filterschichten (18, 28) eine gleiche und/oder eine unterschiedliche Dimensionierung, Verteilung oder Anordnung der Poren oder Löcher (22, 36, 38), und/oder Form aufweisen.
Filterstapel, welcher wenigstens zwei Filtereinrichtungen gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11 aufweist.
Filterstapel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtungen derart zueinander angeordnet sind, dass sie sich teilweise oder vollständig überlappen, wobei die Filtereinrichtungen insbesondere mit identischen Löchern oder Poren und/oder einer identischen Anordnung von Löchern oder Poren ausgebildet sind und/oder mit verschiedenen Löchern oder Poren und/oder einer verschiedenen Anordnung von Löchern oder Poren ausgebildet sind.