DE102010024498A1

DE102010024498A1 - Aufbau dreidimensionaler Bauteile mit nichtdiffundierenden Edel-oder Sondermetallen und deren Legierung durch Sputtertechnologie

Info

Publication number: DE102010024498A1
Application number: DE102010024498A
Authority: DE
Inventors: Heiko Specht; Andreas Reisinger; Ulrich Hausch; Ulrich Krüger; Jens Trötzschel
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Deutschland GmbH and Co KG
Priority date: 2010-06-21
Filing date: 2010-06-21
Publication date: 2011-12-22
Anticipated expiration: 2030-06-22
Also published as: US9090975B2; DE102010024498B4; US20110308957A1; DE102010024498A8

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Struktur aus aufeinanderfolgenden Schichten umfassend: (A) Erstellen einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Schichten, wobei jede der aufeinanderfolgenden Schichten, bis auf eine erste Schicht, auf einer vorherigen Schicht angeordnet ist, wobei – jede der aufeinanderfolgenden Schichten mindestens zwei Materialien aufweist, wobei ein Material ein Opfermaterial und ein Material ein Strukturmaterial ist, – jede der aufeinanderfolgenden Schichten einen aufeinanderfolgenden Querschnitt durch die dreidimensionale Struktur definiert, das Erstellen jeder der Schichten die folgenden Schritte umfasst: I. Abscheiden des Opfermaterials mittels eines elektrochemischen Prozesses, II. Abscheiden des Strukturmaterials mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, wobei das Strukturmaterial ein Metall ist, (B) Freilegen der dreidimensionalen Struktur nach einem Erstellen einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Schichten durch ein Entfernen wenigstens eines Teils des Opfermaterials. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dasss das Opfermaterial wenigstens eines aus der Gruppe Nickel, Silber, Palladium oder Gold ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Struktur aus aufeinanderfolgenden Schichten umfassend:

(A) Erstellen einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Schichten, wobei jede der aufeinanderfolgenden Schichten, bis auf eine erste Schicht, auf einer vorherigen Schicht angeordnet ist, wobei
– jede der aufeinanderfolgenden Schichten mindestens zwei Materialien aufweist, wobei ein Material ein Opfermaterial und ein Material ein Strukturmaterial ist,
– jede der aufeinanderfolgenden Schichten einen aufeinanderfolgenden Querschnitt durch die dreidimensionale Struktur definiert, das Erstellen jeder der Schichten die folgenden Schritte umfasst:
I. Abscheiden des Opfermaterial mittels eines elektrochemischen Prozesses,
II. Abscheiden des Strukturmaterial mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, wobei das Strukturmaterial ein Metall ist,
(B) Freilegen der dreidimensionalen Struktur nach einem Erstellen einer Mehrzahl aufeinander folgender Schichten durch ein Entfernen wenigstens eines Teils des Opfermaterials.

In der US 2007/0158200 A1 wird ein sogenannter „EFAB”-Prozess der Firma Microfabrica beschrieben. Im Rahmen dieses Verfahrens werden eine Mehrzahl von Schichten sequenziell auf ein Substrat aufgebracht. Jede der Schichten enthält dabei vorzugsweise mindestens ein Opfermaterial und ein Strukturmaterial. Der Vorteil dieser Technologie liegt darin, dass nahezu beliebige dreidimensionale Strukturen erstellt werden können. Durch den Aufbau der Struktur mittels galvanischer Metallabscheidung ist jedoch die Auswahl der Metalle und Legierungen eingeschränkt. Insbesondere die in der Medizintechnik eingesetzten Metalle wie Tantal oder Platin lassen sich nicht oder nur mit geringen Schichtdicken mittels elektrochemischen Prozessen abscheiden. Alternativ besteht die Möglichkeit, durch Sputtern kompakte Schichten des Strukturmaterials aufzubringen. Als nachteilig hat sich allerdings herausgestellt, dass beim Abscheiden der Metalle durch physikalische Gasphasenabscheidungen – wie etwa Sputtern – Teile des Opfermaterials durch Diffusion in das Strukturmaterial eindringen. Solcherart Verunreinigungen können aber bei Strukturen, die in der Medizintechnik Verwendung finden, nicht akzeptiert werden, da häufig Opfermaterialien Verwendung finden, die nicht biokompatibel sind.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Struktur aus aufeinanderfolgenden Schichten zu schaffen, bei dem die genannten Nachteile vermieden werden, insbesondere, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem eine Verunreinigung des Strukturmaterials verhindert wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. In den abhängigen Ansprüchen sind jeweils bevorzugte Weiterbildungen ausgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Opfermaterial wenigstens eines aus der Gruppe Nickel, Silber, Palladium oder Gold ist.
Der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass als Opfermaterial nicht mehr die im Allgemeinen verwendeten Materialien, wie etwa Kupfer genutzt werden, sondern wenigstens eines der Materialien aus der Gruppe Nickel, Silber, Palladium oder Gold. Umfangreiche Messungen haben überraschenderweise gezeigt, dass Opfermaterialien aus den vier genannten Metallen nicht in das Strukturmaterial eindiffundieren, auch wenn dieses mittels physikalischer Gasphasenabscheidung wie Gasfluss-Sputtern abgeschieden wird. Anscheinend sind die einzelnen Atome der genannten Opfermaterialien derart fest in ihren atomaren Gittern angeordnet, dass selbst durch ein Aufbringen der thermisch aufgeheizten Atome des Strukturmaterials mittels eines physikalischen Gasphasenabscheidungsprozesses keine der Metalle des Opfermaterials aus ihrem Gitter herausgezogen werden und in das Strukturmaterial eindiffundieren. Somit ist es möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch dreidimensionale Strukturen für die Medizintechnik zu erstellen. Denn bekannte Opfermaterialien wie Kupfer führen zu einer Verunreinigung des Strukturmaterials in einem derart hohen Grade, dass diese nicht mehr bedenkenlos in der Medizin zur Implantierung im menschlichen Körper eingesetzt werden können. Durch das noch genauer zu beschreibende Freilegen der dreidimensionalen Struktur nach dem Erstellen einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Schichten durch ein Entfernen wenigstens eines Teils, vorzugsweise des gesamten Opfermaterials, entsteht somit eine dreidimensionale Struktur, die vorzugsweise aus einem biokompatiblen Material besteht. Das vollständige Entfernen des Opfermaterials ist dabei problemlos möglich, so dass keinerlei Reste in der dreidimensionalen Struktur verbleiben. Sollten wider Erwarten noch geringe Reste innerhalb der dreidimensionalen Struktur zurückbleiben, ist deren Konzentration allerdings so gering, dass auch eine Implantierung der dreidimensionalen Struktur in einen menschlichen Körper, wie etwa bei einer Herzschrittmacherelektrode, zu keinen Komplikationen führt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Opfermaterial nicht nur Bestandteile aus der Gruppe Nickel, Silber, Palladium oder Gold auf. Vielmehr ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Opfermaterial wenigstens aus einem aus der Gruppe Nickel, Silber, Palladium oder Gold besteht. Ebenfalls denkbar und erfolgreich getestet ist es, wenn das Opfermaterial aus Nickel oder Silber oder Palladium oder Gold besteht. Selbstverständlich sind nicht zu entfernende Spurenelemente immer Teil des Opfermaterials, auch wenn jenes aus einzelnem Metall bestehen soll. Allerdings ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in diesem Fall die Reinheit des verwendeten Metalls Nickel oder Silber oder Palladium oder Gold besser als 99,5 Gew.-%, insbesondere besser als 99,95 Gew.-%, besonders bevorzugt reiner als 99,995 Gew.-% ist.
Als Diffusion wird im Rahmen der Erfindung ein Eindringen von Teilen des Opfermaterials in das Strukturmaterial in eine Tiefe größer als 200 nm, vorzugsweise größer als 100 nm, bezeichnet. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Diffundieren des Opfermaterials in das Strukturmaterial vollständig verhindert.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Reihenfolge der Schritte I und II getauscht werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst sowohl eine Ablauf, bei dem zuerst das Opfermaterial (Schritt I) und dann das Strukturmaterial (Schritt II) aufgebracht wird, als auch ein Ablauf, bei dem zuerst das Strukturmaterial (Schritt II) und dann das Opfermaterial (Schritt I) aufgebracht wird.
Bei dem in der US 2007/0158200 A1 beschriebenen „EFAB”-Prozess der Firma Microfabrica wird auf ein leitfähiges Substrat in Gegenwart eines elektrochemischen Bades zunächst eine Funktionsschicht aus dem Strukturmaterial selektiv aufgalvanisiert. Die Selektivität kann durch ein „Instant masking” genanntes Verfahren erreicht werden, bei dem eine Maske während des Aufbringens der Funktionsschicht in Kontakt mit dem Substrat steht. Nach Entfernen der Maske wird die Opferschicht – aus dem Opfermaterial – ganzflächig über die Funktionsschicht aufgalvanisiert. Als abschließender Prozessschritt erfolgt eine Planarisierung, bei der überschüssiges abgeschiedenes Metall von Funktions- und Opferschicht entfernt werden. Diese Prozessfolge wird zyklisch wiederholt, bis das fertige Teil aufgebaut ist. Der letze Schritt besteht in der Entfernung der Opferschicht durch nasschemisches Ätzen. Die erfindungsgemäß genutzten Verfahrensschritte, insbesondere die Aufbringverfahren kann sich von dem in der US 2007/0158200 A1 beschriebenen „EFAB”-Prozess unterscheiden. Dennoch soll in Hinblick auf die übereinstimmende Verfahrensschritte Bezug genommen werden auf die Anmeldung US 2007/0158200 A1, deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird.
Der Begriff „dreidimensionale Struktur” soll einen räumlichen Gegenstand, wie etwa eine Herzschrittmacherelektrode, bezeichnen, der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden kann. Dabei besteht die dreidimensionale Struktur aus einer Mehrzahl von aufeinander aufgebrachten Schichten des Strukturmaterials. In dieser Hinsicht wird auch Bezug genommen auf die Definition des Merkmals „three-dimensional structure” aus der Patentanmeldung US 2007/0158200 A1, deren Inhalt hiermit in diese Patentanmeldung aufgenommen wird.
Der Begriff „Strukturmaterial” beschreibt eines oder mehrere Materialien, die im Rahmen der Erstellung der dreidimensionalen Struktur abgelagert werden. Dieses Material ist dazu gedacht, die dreidimensionale Struktur nach Entfernen des Opfermaterials zu bilden. In dieser Hinsicht wird auch Bezug genommen auf die Definition des Merkmals „structure material” aus der Patentanmeldung US 2007/0158200 A1, deren Inhalt hiermit in diese Patentanmeldung aufgenommen wird.
Der Begriff „Opfermaterial” bezeichnet eines oder mehrere Materialien, welche während der Erstellung der Mehrzahl aufeinanderfolgender Schichten aufgebracht wird. Dabei ist das Opfermaterial dazu auserkoren, nach einem Abschluss der Erstellung der Mehrzahl aufeinanderfolgenden Schichten wieder entfernt zu werden. In dieser Hinsicht wird auch Bezug genommen auf die Definition des Merkmals „sacrificial material” aus der Patentanmeldung US 2007/0158200 A1, deren Inhalt hiermit in diese Patentanmeldung aufgenommen wird.
Eine vorteilhafte Ausführungsvariante zeichnet sich dadurch aus, dass das Strukturmaterial ein Edel- und/oder Platin- und/oder Refräktarmetall aufweist. Die hier offenbarte Erfindung ermöglicht insbesondere die Herstellung dreidimensionaler Strukturen für die Medizintechnik. Die beschriebenen Materialien weisen im Allgemeinen eine gute Biokompatibilität auf und können somit in der Medizintechnik Verwendung finden. Da erfindungsgemäß beansprucht wird, dass das Abscheiden des Strukturmaterials mittels physikalischer Gasphasenabscheidung geschieht, können auch makroskopisch größere medizintechnische Elemente durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt werden, ohne dass eine Gefahr besteht, dass Teile des Opfermaterials in das Strukturmaterial eindiffundieren.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Strukturmaterial wenigstens eines der folgenden Metall aufweist, bevorzugt mindestens 50 Gew.-% eines der folgenden Metall aufweist, besonders bevorzugt aus einem der folgenden Metall besteht: Platin, Platin-Iridium, Tantal, Tantal-Wolfram, Tantal-Niob-Wolfram, Nickel, Nickel-Tantal, Nickel-Wolfram, Niob und Niob-Zirkon. Eine alternative Ausführungsform dieser vorteilhaften Ausführungsvariante zeichnet sich dadurch aus, dass das Strukturmaterial zu mindestens 50 Gew.-%, bevorzugt zu mindestens 80 Gew.-% aus einem der genannten Metalle besteht. So kann es auch vorteilhaft sein, wenn das Strukturmaterial etwa aus einem Metall wie Platin besteht.
Je nach gewähltem Metall des Opfermaterials verhindert dieses vollständig ein Eindringen des Opfermaterials in das räumlich darüber angeordnete Strukturmaterial. Jenes Verhalten erfolgreich bei einer Materialkombination von Platin als Strukturmaterial und Silber als Opfermaterial nachgewiesen werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante zeichnet sich dadurch aus, dass mittels der physikalischen Gasphasenabscheidung mindestens zwei Metalle parallel abgeschieden werden, wobei die zwei Metalle als Strukturmaterial eine Legierung bilden. Bei dieser Ausführungsform besteht das Strukturmaterial nicht aus einem einzigen Metall. Vielmehr werden gleichzeitig zwei Metalle, etwa durch ein Sputterverfahren, abgeschieden. Somit bildet sich in den aufeinanderfolgenden Schichten ein Strukturmaterial, welches aus mindestens zwei Metallen besteht. Die so entstehende Verbindung bildet eine Legierung. Im Rahmen der physikalischen Gasphasenabscheidung werden die beiden aufzubringenden Metalle in ihre Gasphase überführt und kondensieren in den Schichten der dreidimensionalen Struktur. Im Rahmen der Gasphase können die beiden Metalle derart miteinander vermischt werden, dass sich eine äußerst homogene Legierung für das Strukturmaterial realisieren lässt. So konnte insbesondere Tantal-Niob-Wolfram-Legierungen unproblematisch abgeschieden werden, woraus sich dann dreidimensionale Strukturen für medizinische Geräte ergaben, die aus biokompatibler Tantal-Niob-Wolfram-Legierung bestanden. Weiter optimieren lässt sich dieser Verfahrensschritt dadurch, dass die aufeinanderfolgender Schichten im Rahmen des Abscheidens in den Schritten I und/oder II bewegt werden, um eine homogene Zusammensetzung des Strukturmaterials zu erzielen. Unter dem Begriff „bewegen” ist hier zu verstehen, dass die auf dem Substrat abgelegten und schon gebildeten Schichten relativ zu den Quellen des und/oder der gasförmigen Metalle im Rahmen der physikalischen Gasphasenabscheidung oder innerhalb des Bades des elektrochemischen Prozesses in zumindest einer der drei Raumebenen und/oder rotierend bewegt werden. Dadurch ist sichergestellt, dass auch bei ungleichmäßiger Generierung und/oder Verteilung der Metalle in der Gasphase oder dem elektrochemischen Bad die so gebildeten, aufeinanderfolgenden Schichten eine gleichmäßige Zusammensetzung aufweisen. Unter dem Begriff „gleichmäßig” ist dabei zu verstehen, dass etwaige Abweichungen in der Dicke und/oder einer Legierungszusammensetzung, betrachtet über die Fläche einer Schicht, weniger als 5%, vorzugsweise weniger als 3% von der angestrebten Legierungszusammensetzung und/oder Schichtdicke betragen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante zeichnet sich dadurch aus, dass bei der physikalischen Gasphasenabscheidung ein Gasfluss-Sputtern und/oder ein Magnetron-Sputtern verwendet wird. Beim Gasfluss-Sputtern kann als Hohlkathode ein Metalltarget verwendet werden, das durch eine Hohlkathodenentladung großflächig abgetragen wird. Das abgestäubte Material wird in atomarer Form durch einen starken Gasstrom, z. B. Argon, aus der Hohlkathode zur Substratoberfläche transportiert und schlägt sich dort mit hoher Rate als Schicht nieder. Mit dieser Prozessführung gelingt das Beschichten von Bauteilen mit komplexen Geometrien und über die Zuführung von Sekundärgasen die reaktive Abscheidung von z. B. oxidischen bzw. nitridischen Schichten. Beim Magnetron-Sputtern ist hinter einer Kathodenplatte ein zusätzliches Magnetfeld angeordnet. Durch die Überlagerung von elektrischem Feld und magnetischem Feld bewegen sich die Ladungsträger nicht mehr parallel zu den elektrischen Feldlinien, sondern werden auf eine Spiralbahn abgelenkt. Dadurch wird deren Weg verlängert und die Zahl der Stöße pro Elektron erhöht sich. Das effektiv höhere Ionisierungsvermögen der Elektronen führt zu einer Erhöhung der Edelgasionenzahl und somit auch der Sputterrate.
Ein besonderer Vorteil des Gasfluss-Sputtern besteht darin, dass das Reaktivgas nicht zur Targetoberfläche vordringen kann. Dadurch gibt es keine Plasma-Instabilitäten und keine Ratenminderung und aufwändige Mess- und Regeleinrichtungen können entfallen. Es können daher insbesondere für Oxidschichten sehr hohe Beschichtungsraten bis zu 100 μm/h erreicht werden. Da kein Magnetfeld benötigt wird, erfolgt der Targetabtrag gleichmäßig und es kann mit sehr hoher Leistungsdichte gearbeitet werden, was einer hohen Beschichtungsrate zugute kommt. Das Gasflusssputtern eignet sich daher auch besonders für Schichtdicken oberhalb einiger Mikrometer. Außerdem wird das Target sehr gut ausgenutzt, und es können problemlos auch Beschichtungen mit weichmagnetischen Targets durchgeführt werden. Aufgrund des hohen Prozessdruckes verlieren die energiereichen Plasmateilchen auf dem Weg zum Substrat den größten Teil ihrer Energie. Dadurch entstehen spannungsarme Schichten und es lassen sich auch empfindliche Substrate beschichten. Andererseits können die besonders zahlreichen Ionen durch eine Substratvorspannung effizient nachbeschleunigt werden und man erhält dann sehr kompakte Schichten. Bei längerem Flugweg bilden sich aus den Atomen zunächst Cluster und später Nanopartikel. Auf diese Weise lassen sich auch definiert nanoporöse Schichten herstellen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante zeichnet sich dadurch aus, dass der Schritt (B) in der Entfernung der Opferschicht durch nasschemisches Ätzen besteht. So können die Opfermaterialien Silber (Ag) und Palladium (Pd) selektiv gelöst werden mit Salpetersäure (HNO3), vorzugsweise 65%iger Salpetersäure. Das Opfermaterial Gold (Au) kann selektiv gelöst werden mit Kl/I₂-Lösungen oder NaCN/H2O2-Lösungen, oder kommerziell erhältlichen Produkten wie z. B. „Degussa 645 – gold stripping solution”. Das Opfermaterial Nickel (Ni) kann selektiv und mild mittels FeCl3, vorzugsweise als 10%ige Lösung, geätzt werden. Bei Tests konnten innerhalb von wenigen Stunden bis 2 Tagen die genannten Opfermetalle entfernen werden, ohne dass die Struktur angegriffen wurde.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante zeichnet sich dadurch aus, dass die Schichtdicke des zuerst aufgebrachten Materials – Opfermaterial oder Strukturmaterial – zwischen [10 μm; 50 μm], insbesondere zwischen [20 μm; 30 μm] abgeschieden wird. Diese Schichtdicke definiert die maximal mögliche Dicke jeder der Mehrzahl an Schichten. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahrensablauf bei dem zuerst Schritt I ausgeführt wird, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Opfermaterial in einer Schichtdicke zwischen [10 μm; 50 μm], insbesondere zwischen [20 μm; 30 μm] abgeschieden wird. Durch die Schichtdicke des Opfermaterials ist auch die Schichtdicke des Strukturmaterials definiert. Durch die genannten Schichtdicken lassen sich auch mikroskopische dreidimensionale Strukturen erstellen, welche insbesondere in der Medizintechnik Verwendung finden können.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
1 ein Substrat;
2 ein auf das Substrat aufgebrachtes Opfermaterial;
3 ein auf das Opfermaterial aufgebrachte Schicht aus einem Strukturmaterial;
4 eine einzelne Schicht, welche sowohl ein Opfermaterial als auch ein Strukturmaterial aufweist;
5 eine Mehrzahl aufeinanderfolgender Schichten;
6 eine aus den Schichten hergestellte dreidimensionale Struktur und
7 eine schematische Darstellung eines physikalischen Gasphasenabscheidungsprozesses.
Die in der Medizintechnik Verwendung findenden Systeme, wie etwa Elektroden, weisen häufig eine Mehrzahl von einzelnen Teilen auf. Aufgrund der geometrischen Größen ist es häufig sehr schwierig, jene einzelnen Teile separat zu fertigen und im Anschluss miteinander zu verbinden. Um diese Nachteil zu überwinden, kann mittels eines hier beschriebenen Mehrschichtverfahrens eine dreidimensionale Struktur durch ein aufeinanderfolgendes Erstellen mehrerer Schichten aus einem Opfer- und einem Strukturmaterial erstellt werden.
Eine Ablagerung von in der Medizin genutzten biokompatiblen Metallen durch elektrochemische Prozesse ist nur in vergleichsweise geringen Schichtdicken im 1-μm-Bereich möglich. Folglich ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Strukturmaterial mittels physikalischer Gasabscheidung aufgebracht wird. Dabei besteht bei bekannten Opfermaterialien allerdings der Nachteil, dass Teile des Opfermaterials in das Strukturmaterial eindiffundieren. Da das Opfermaterial im Allgemeinen kein biokompatibles Material ist, reduziert dies die Möglichkeit, so erstellte dreidimensionale Strukturen für medizinisch implantierbare Vorrichtungen zu nutzen. Jener Nachteil ist die Ausgangsbasis, auf welcher die Erfindung aufsetzt.
Ausgangsbasis für die Herstellung der zu erzielenden dreidimensionalen Struktur ist ein Substrat 10, wie es die 1 zeigt. Dieses Substrat 10 ist im Allgemeinen elektrisch leitfähig und kann etwa ein Metall sein. In einem ersten Schritt I wird ein Opfermaterial zumindest partiell auf das Substrat 10 mittels eines elektrochemischen Prozesses abgeschieden. Dies kann etwa im Rahmen eines galvanischen Prozesses geschehen. Wie die 2 verdeutlicht, weist die erstellte Schicht 50 keine vollständige Abdeckung des Substrates 10 mit dem Opfermaterial 20 auf. Vielmehr bildet das Opfermaterial 20 eine Art Maske auf dem Substrat 10, welches Zwischenräume 60 offen lässt, die nicht mit dem Opfermaterial 20 bedeckt sind. Solcherart Erstellung einer Maske aus Opfermaterial 20 kann dadurch erfolgen, dass im Vorhinein Fotolacke auf das Substrat 10 aufgebracht und weggeätzt werden. In die sich ergebende negative Maske kann dann das Opfermaterial 20 eingebracht werden. Um eine Diffusion von Teilen des Opfermaterials 20 in das noch zu beschreibende Strukturmaterial 30 zu verhindern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, das Opfermaterial 20 wenigstens eines aus der Gruppe Nickel, Silber, Palladium oder Gold ist. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die hier gezeigte Reihenfolge der Schritte I und II auch getauscht werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst auch einen Ablauf, bei dem zuerst das Strukturmaterial (Schritt II) und dann das Opfermaterial (Schritt I) aufgebracht wird.
Die 3 verdeutlicht das direkte Aufbringen des Strukturmaterials im Rahmen des Schrittes II mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, wobei das Strukturmaterial ein Metall ist. Beispielsweise kann es sich bei dem Strukturmaterial um Platin, Platiniridium, Tantal oder Tantal-Niob-Wolfram handeln. Wie zu erkennen ist, wird das Strukturmaterial 30 direkt auf das Opfermaterial 20 aufgebracht. Um zu verhindern, dass allerdings Teile des Opfermaterials 20 in das Strukturmaterial 30 eindiffundieren, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Opfermaterial zumindest Bestandteile aus einem der Metalle aus der Gruppe Nickel, Silber, Palladium oder Gold aufweist. In einer alternativen Variante kann das Opfermaterial auch aus wenigstens einem aus der Gruppe Nickel, Silber, Palladium oder Gold bestehen. Als Diffusion wird im Rahmen der Erfindung ein Eindringen von Teilen des Opfermaterials in das Strukturmaterial in eine Tiefe größer als 200 nm, vorzugsweise größer als 100 nm, bezeichnet. Die genannten Opfermaterialien 20 mögen zwar in oberflächliche Schichten des Strukturmaterials von weniger als 100 nm, bevorzugt weniger als 50 nm, besonders bevorzugt weniger als 25 nm eindringen, ein tieferes Einfließen des Opfermaterials 20 in das Strukturmaterial 30 findet allerdings nicht statt. Entsprechende Nachweise konnten erbracht werden, dass bei einem Abscheiden des Strukturmaterials 30 mittels eines physikalischen Gasphasenabscheidungsprozesses kein Opfermaterial 20 in die Oberfläche gemäß der genannten Dimensionen des Strukturmaterials 30 eindringt.
Nach dem Aufbringen des Strukturmaterials 30, wie es die 3 verdeutlicht, folgt ein Bearbeitungsschritt, bei dem überstehende Reste des Strukturmaterials 30 und/oder des Opfermaterials 20 insbesondere maschinell entfernt werden. Das Resultat ist eine einzelne Schicht 50, die in 4 beispielhaft dargestellt ist.
Die 5 verdeutlicht nun eine Mehrzahl aufeinanderfolgender Schichten 50, 50', 50'', wobei jede der aufeinanderfolgenden Schichten bis auf die erste Schicht 50 auf einer vorherigen Schicht 50', 50'' angeordnet ist. Jede der aufeinanderliegenden Schichten 50, 50', 50'' weist mindestens zwei Materialien auf. Ein Material ist dabei ein Opfermaterial 20 und ein weiteres Material ein Strukturmaterial 30.
Die Besonderheit besteht darin, dass Teile des Opfermaterials 20 nicht in das Strukturmaterial 30 eindiffundieren. Als Ergebnis entsteht ein Strukturmaterial 30, welches keinerlei Kontamination mit Teilen des Opfermaterials 20 aufweist.
Im Rahmen des Schrittes (B) erfolgt ein Freilegen einer dreidimensionalen Struktur nach einem Erstellen einer Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Schichten 50, 50', 50''. Dies wird in 6 verdeutlicht. Das Freilegen im Rahmen des Schrittes (B) geschieht durch ein Entfernen wenigstens eines Teiles, vorzugsweise des gesamten Teiles des Opfermaterials 20. Übrig bleibt nur das Strukturmaterial. Wie die 7 verdeutlicht, bildet jede der aufeinanderfolgenden Schichten 50, 50', 50'' eine Ebene eines Querschnitts durch die dreidimensionale Struktur 100. Durch eine geschickte Wahl der Anordnung des Opfermaterials ist es nunmehr möglich, dreidimensionale Strukturen 100 aufzubauen, die aus einer Mehrzahl auch gegeneinander beweglicher Teile bestehen. Es bedarf somit keines Zusammenbaus der Einzelteile mehr. Darüberhinaus wird durch Schichtdicken der einzelnen Schichten 50, 50', 50'' zwischen 10 und 30 μm sichergestellt, dass auch feine Strukturen erstellt werden können.
Die 7 verdeutlicht eine Kammer eines Magnetron-Sputtersystems, welches bevorzugt für die physikalische Gasphasenabscheidung genutzt wird. Dieses Magnetron – Sputtersystem weist eine Vakuumkammer 110 auf, in welcher das Substrat 10 in einem Substrathalter 115 angeordnet ist. Ein Prozessgas – hier Argon, Sauerstoff und/oder Stickstoff – werden der Vakuumkammer 110 über ein Gaszuführsystem 130 zugeführt. Entsprechende Vorrichtungen, wie eine Turbomolekularpumpe, sorgen für ein Absaugen 150 der in die Vakuumkammer 110 eingespülten Porzessgase. Das jeweilige Material, welches auf dem Substrat abgelagert werden soll, liegt auf einem Kühlkörper 125. Dargestellt ist, dass es sich bei dem hier aufzusputternden Material um das Strukturmaterial 30 handelt. Unterhalb des Strukturmaterials 30 innerhalb des Kühlkörpers 125 ist ein Ringmagnet 140 angeordnet. Je nach verwendetem System kann der Ringmagnet 140 mit einer Beschleunigungsspannung oder einer Hochfrequenzspannung beaufschlagt werden. Oberhalb des Strukturmaterials 30 bildet sich eine Zone mit erhöhter Elektronendichte, welche zu einer Ionisierung des Prozessgases führt. Die so entstehenden Elektronen bombardieren dann das Sputtermaterial und schlagen dieses heraus. Durch eine entsprechende elektrische Aufladung des Substrats 10 kondensieren die Ionen auf dem zu beschießenden Substrat 10 und bilden dort die Schicht des Strukturmaterials 30. In einem Versuch wurde ein Platin Target betrieben mit einer Leistungsdichte von 8 W/cm² (Fläche von 44,2 cm², Power = 368 W). Daraus ergab sich eine Depositionsrate von ca. 0,2 μm/min, mittels derer ein Pt-Schichten von bis zu 30 μm Schichtdicke hergestellt wurde. Der Druck in der Vakummkammer lag im Bereich von 1 × 10E-3 bis 1 × 10E-2 mbar.
Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn im Rahmen der physikalischen Gasphasenabscheidung nicht nur eines, sondern mindestens zwei Metalle parallel auf dem Substrat 10 abgeschieden werden. Erfindungsgemäß verbinden sich die beiden Metalle als Strukturmaterial 30 zu einer Legierung. Somit kann das abgeschiedene Strukturmaterial 30 etwa eine Platin-Iridium-Legierung sein. Solcherart Legierungen sind insbesondere im Rahmen der Medizintechnik zu bevorzugen. Um eine möglichst gleichmäßige Zusammensetzung einer abzuscheidenden Legierung und/oder einer gleichmäßigen Schichtdicke des Strukturmaterials 30 in jeder der aufeinanderfolgenden Schichten 50, 50', 50'' zu erreichen, hat es sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, wenn das Substrat 10 und/oder die schon aufeinander aufliegenden Schichten 50, 50', 50'' im Rahmen der physikalischen Gasphasenabscheidung – Schritt II – und/oder des elektrochemischen Prozesses – Schritt I – bewegt werden. Darunter ist zu verstehen, dass beispielsweise der Substrathalter 150 oberhalb des Targetbereichs in der Vakuumkammer 110 rotiert oder in der Substratebene bewegt wird.
Bezugszeichenliste

10: Substrat
20: Opfermaterial
30: Strukturmaterial
50, 50', 50'': aufeinanderfolgende Schichten
60: Zwischenraum
100: Struktur
110: Vakuumkammer
120: magnetische Feldlinien
125: Kühlkörper
130: Gaszufuhr
140: Ringmagnet
150: Abfluss des Gases
160: Netzgerät

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2007/0158200 A1 [0002, 0010]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Struktur aus aufeinanderfolgenden Schichten umfassend: (A) Erstellen einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Schichten, wobei jede der aufeinanderfolgenden Schichten, bis auf eine erste Schicht, auf einer vorherigen Schicht angeordnet ist, wobei – jede der aufeinanderfolgenden Schichten mindestens zwei Materialien aufweist, wobei ein Material ein Opfermaterial und ein Material ein Strukturmaterial ist, – jede der aufeinanderfolgenden Schichten einen aufeinanderfolgenden Querschnitt durch die dreidimensionale Struktur definiert, das Erstellen jeder der Schichten die folgenden Schritte umfasst: I. Abscheiden des Opfermaterials mittels eines elektrochemischen Prozesses, II. Abscheiden des Strukturmaterials mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, wobei das Strukturmaterial ein Metall ist, (B) Freilegen der dreidimensionalen Struktur nach einem Erstellen einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Schichten durch ein Entfernen wenigstens eines Teils des Opfermaterials, dadurch gekennzeichnet, dass das Opfermaterial wenigstens eines aus der Gruppe Nickel, Silber, Palladium oder Gold ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturmaterial ein Edel- und/oder Platin- und/oder Refraktärmetall aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturmaterial wenigstens eines der folgenden Metalle aufweist, bevorzugt mindestens 50 Gew.-% eines der folgenden Metalle aufweist, besonders bevorzugt aus einem der folgenden Metalle besteht: Platin, Platin-Iridium, Tantal, Tantal-Wolfram, Tantal-Niob-Wolfram, Nickel, Nickel-Tantal, Nickel-Wolfram, Niob und Niob-Zirkon.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels physikalischer Gasphasenabscheidung mindestens zwei Metalle parallel abgeschieden werden, wobei die zwei Metalle als Strukturmaterial eine Legierung bilden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinanderfolgenden Schichten im Rahmen des Abscheidens in den Schritten I und/oder II bewegt werden, um eine homogene Zusammensetzung des Strukturmaterials zu erzielen.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der physikalischen Gasphasenabscheidung ein Gasfluss-Sputtern und/oder ein Magnetron-Sputtern verwendet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Opfermaterial in einer Schichtdicke zwischen [10 μm; 50 μm], insbesondere zwischen [20 μm; 30 μm] abgeschieden wird.