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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mikrostrukturierung von Oberflachen und einen mehrschichtigen Aufbau mit mikrostrukturierten Oberflachen.
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Die Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Herstellung von Mikrostrukturen mit hohem Aspektverhältnis nach dem LIGA-Verfahren, d.h. einem Verfahren, welches auf den Fertigungsschritten Röntgenlithografie und Galvanoformung aufbaut. Nach dem Stand der Technik wird zur Herstellung derartiger Mikrostrukturen auf ein Substrat Röntgenlicht gestrahlt. Das Röntgenlicht gelangt über eine Maske auf eine röntgenempfindliche Resistschicht. In einer Variante werden nicht belichtete Bereiche herausgelöst, in einer anderen Variante werden die belichteten Bereiche herausgelöst. In die vom Resist befreiten Bereiche werden Metalle eingebracht. In der Regel geschieht dies mittels galvanischer Methoden.
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Die Grenzflachen zwischen Resist und Substrat müssen gut aufeinander haften und auch für den nachfolgenden galvanischen Schritt geeignet sein. In einer Methode wird dies durch eine aufgesputterte Titan-Schicht von 1 bis 5 µm Dicke und ein anschließendes Aufrauen im nass-chemischen Anätzen erreicht.
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Grundsätzlich wird angestrebt, die Kernladungszahl der Grenzschicht klein zu halten. (F.J. Pantenburg u.a., Micro-Electronic Engeneering 23, S. 223 (1994)). Hintergrund hierfür ist, dass auch unbestrahlte Bereiche durch Sekundäreffekte einer Belichtung unterliegen, so dass beispielsweise bei Negativresists eine Resisthaut nach der Entwicklung dieses galvanische Verfahren verhindert.
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Aus der
EP 0635760 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Bedeutung niedriger Kernladungszahlen der Schicht, die sich im unmittelbaren Kontakt zur Resistschicht befindet, beschrieben wird. Dieses Problem soll durch Aufdampfen, Kathodenzerstäubung oder plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung auf den dimensionsstabilen Träger gelöst werden.
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Aus der
DE 19926775 A1 ist ferner ein Verfahren zur Mikrostrukturierung eines Kunststoffs bekannt, bei welchem eine aufwändig herzustellende strukturierte Schichtfolge aus Kohle und strukturierter, aufgedampfter Goldschicht beschrieben wird. Es wird eine Schicht leitfähiger Kohle auf einem Substrat aufgebracht, das die Haftung des Resists verbessert. Eine strukturiere metallische Schicht kann auf die Kohleschicht aufgebracht werden. Hierdurch soll der anschließende galvanische Prozess in den herausgelösten Resistbereichen sichergestellt werden. Allerdings ist dieses Verfahren so aufwändig, dass deren technische Umsetzung im großtechnischen Maßstab bisher noch nicht erfolgt ist.
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Aus S.K. Griffiths et al. 2005, J. Micromech. Microeng. 15, 1700 ist die Verwendung von anodisiertem Aluminium als Substrat bekannt. Es werden die Einflüsse der Röntgenstrahlung auf die grenzflächennahen Resistschichten besonders berücksichtigt. Diese Resist-Haft- und Galvanikstartschicht wird als deutlich vorteilhaft gegenüber dem klassisch verwendeten oxidierten Titan beschrieben. Es wird auch beschrieben, dass Kohlenstoff basierte Schichten weitere Vorteile bieten würden.
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Aus Ruzu, A. u.a., 5" Int. Workshop on High-Aspect-Ratio, Microstructure Technology, Baden-Baden, June 17 19, 2001, ist ferner bekannt, dass mechanische Spannungen durch erhöhte Temperatur bei dem galvanischen Prozess zu Verzerrungen der Geometrie der Mikrostruktur führen können. Daher wäre es wünschenswert, wenn der Wärmeausdehnungs-Koeffizient der Grenzschicht ähnlich demjenigen des Resists ist, um die genannten mechanischen Spannungen an der Grenzfläche Substrat zu Resist während der galvanischen Behandlung, die typischerweise bei erhöhten Temperaturen zwischen 50 und 80°C statt findet, gering zu halten.
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Die vorgestellten Lösungen haben den Nachteil, dass die vergleichsweise geringe Wärmeausdehnung mechanisch stabiler Substrate, z.B. Silizium (2·10–6/K), das wegen der einfach und günstig zu bekommenden Ebenheit und guten Wärmeleitung attraktiv ist, und die hohe Wärmeausdehnung von Resists (50·10–6/K für SU 8 bzw. 80·10–6/K bei Polymethylmethacrylat) zu hohen mechanischen Spannungen an der Grenzflache Resist/ Substrat führen. Dies gilt, wenn die Folgeprozesse nicht bei Raumtemperatur gefahren werden kann. Diese thermomechanischen Spannungen beeinflussen die Haftung und auch die Formstabilität der Lithografiestruktur negativ.
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Ferner müssen bei dem beschriebenen Stand der Technik die Schichten unter Vakuum hergestellt werden. Damit sind die Prozesskosten sehr hoch.
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Ferner haben die in der
DE 19926775 A1 beschriebenen Goldbereiche den Nachteil, dass die Sekundarstrahlung den Resist in unmittelbarer Nähe des Goldes massiv schädigt. Bei positiven Röntgenresists führen die generierten Fotoelektroden aus den Goldinseln zu lokal schlechter Haftung des Resists. Die Fluoroeszenzstrahlung führt zur Schädigung des Resists in bis zu 30 µm rund um die Goldbereiche. Dies fuhrt zur löchrigen Wänden in dem Röntgenresist.
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Ein Nachteil bei Negativresists ist die Vernetzung oberhalb der Substratschicht durch die Fotoelektronen. Die Durchführung des folgenden galvanischen Prozesses ist dann ohne nachfolgende Plasmabehandlung der Resiststruktur nicht möglich. Bei tiefen Löchern (z.B. 100 µm Tiefe und 1 µm Breite) kann auch ein gerichteter Plasmaätzschritt die entstandene Substrathaut nicht mehr entfernen.
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Aus Decarlo et al. J.Vac.Ssi. Technol B 16 (6) November/Dezember 1998, 3539 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem auf ein Substrat eine Schutzschicht aufgetragen wird, die die Sekundäreffekte abfangen soll. Auf dieser Schutzschicht findet sich wiederum Polymethylmethacrylat. Durch Bestrahlung über eine Maske wird eine Modifizierung der Resistschicht erreicht. Diese kann in den vom Resist befreiten Bereichen mit Metall beschichtet werden. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass hierfür eine Entfernung der Schutzschicht vor der Galvanik durch Ätzmethoden erforderlich ist. Bei tiefen Löchern (z.B. 100 µm Tiefe und 1 µm Breite) kann auch ein gerichteter Plasmaätzschritt die entstandene Substrathaut nicht mehr entfernen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, ein Verfahren zur Verfüfgung zu stellen, mit welchem mikrostrukturierte Oberflächen hergestellt werden können, bei dem die beschriebenen Nachteile nicht auftreten. Das Verfahren ist für beliebige Substrate einsetzbar. Die Schichtfolge gewährleistet eine nahezu gleiche, geringere mittlere Kernladungszahl wie der Resist sie aufweist. Die thermische Ausdehnung entspricht nahezu der Resistschicht. Gleichzeitig wird eine gute Haftung von Resist durch gute Anbindung der Resistkomponenten auf die angrenzenden Schichten erreicht werden. Ebenso wird der galvanische Prozess erleichtert.
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Die beschriebene Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturierungen in Oberflächen gelöst, bei welchem auf die Oberflache eines Substrates eine Carbonlackschicht aufgebracht, auf die Oberf!ache des Carbonleitlacks eine Polymerschicht aufgebracht und die Polymerschicht partiell bestrahlt wird.
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Erfindungsgemäß können beliebige Substrate eingesetzt werden wie zum Beispiel Aluminium-Bleche, Kupferbleche, Epoxidharzplatten, Stahlplatten, Glasplatten, Kunststofffolien. Besonders vorteilhaft sind Silizium-Wafer, da sie eine hohe Ebenheit bei geringen Kosten gewährleisten.
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Als Waver werden in der Mikroelektronik, Photovoltanik und Mikrosystemtechnik kreisrunde oder quadratische, ca. 1 mm dicke Scheiben bezeichnet. Sie werden aus 1- oder polykristallinen (Halbleiter-)Rohlingen hergestellt und dienen in der Regel als Substrat (Grundlacke) für elektronische Bauteile. U.a. können sie für integrierte Schaltkreise, mikromechanische Bauelemente oder photoelektrische Beschichtungen eingesetzt werden. Bei der Fertigung von mikroelektronischen Bauteilen werden in der Regel mehrere Waver zu einem Los zusammengefasst und direkt übereinander oder parallel bearbeitet.
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Eine Scheibe besteht in den meisten Fällen aus monokristallinem Silizium. Es werden aber auch andere Materialien wie Siliziumcarbid, Galliumarsenid oder Indiumphosphid verwendet. In der Mikrosystemtechnik werden auch Glas-Waver mit einer Dicke von ca. 1 mm verwendet.
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Die Scheiben werden mit den verschiedensten Durchmessern gefertigt. Häufig verwendete Durchmesser unterscheiden sich je nach Halbleiterwerkstoff und vorgesehenem Verwendungszweck (Silizium: 150 mm, 200 mm und 300 mm; Galliumarsenid: 2 Zoll, 3 Zoll, 100 mm, 125 mm und 150 mm). Die Silizium-Waver haben insbesondere den Vorteil, dass sie eine besonders hohe Ebenheit und Parallelität bei geringen Kosten besitzen. Sie sind daher für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet.
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Erfindungsgemäß wird auf das Substrat eine Carbonleitlackschicht aufgebracht. Carbonleitlacke sind in ihrer Verwendung für Leiterplatten oder in der Batterieherstellung bereits bekannt. Sie bestehen im Wesentlichen aus einem oder mehreren Lackbindemitteln (Polymeren), Lösemitteln und Füllstoffen bzw. Pigmenten. Bei der Lackherstellung werden die festen Bestandteile in die flüssigen Bestandteile dispergiert, d.h. fein und gleichmäßig verteilt. Bei der Herstellung eines Carbonleitlackes bestehen die Füllstoffe weitgehend aus leitenden Graphitpartikel und Ruße. Nach der Applikation des Lackes verdunsten die Lösemittel und nach einem von Lacksystem zu Lacksystem unterschiedlichen Härtungsprozess verbleibt auf dem Substrat ein gut leitfähiger Polymerfilm, in dem die Feststoffe homogen eingebettet sind.
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Als leitende Substanzen können Kohlenstoffpulver verwendet werden. Der Kohlenstoff kann in freier Form in Schichtebenen kristallisiert als Graphit vorliegen.
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In Betracht kommen auch Ruße. Diese können synthetisch hergestellt werden, so dass deren strukturenspezifische Oberfläche während des Herstellungsprozesses steuerbar ist. Daher können aus den unterschiedlichen Rußtypen, die zur Herstellung von Leitlacken verwendet werden, bezüglich ihrer strukturenspezifischen Oberfläche geeigneten Ruße ausgewählt werden.
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Aufgrund der amorphen Struktur lassen sich jedoch mit Rußen keine genügenden Packungsdichten erreichen, so dass zusätzliche Graphite mit einer mehrschichtförmigen Struktur eingesetzt werden. Durch diese Kombination lassen sich Leitlacke erhalten, die eine möglichst dichte, direkte Berührung der leitenden Teilchen im ausgehärteten Lackfilm erfüllen.
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Erfindungsgemäß wird auf die Schicht aus Carbonleitlacken eine Polymerbeschichtung aufgetragen. Hierfür können alle fur das LIGA-Verfahren geeignete Resiste eingesetzt werden. Insbesondere sind bevorzugt Resiste auf der Basis von Polymermethacrylat, Polyoxymethylene und aliphatische Polyester, z.B. Polylaktide und Polylactid-co-Glycolide sowie Polycarbonate und Polycarbonat-Blends sowie Resiste auf Epoxidharzbasis.
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Die Polymere können nach dem Gießverfahren, einem Pressverfahren, durch Spritzguss, Aufschleudern oder durch Kombination aus Extrusion und Kalandrieren einer Polymerfolie auf den mit der Haftschicht beschriebenen Trager aufgebracht werden.
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In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt eine Bestrahlung der Polymerschicht. Die Strahlung ist partiell, damit im anschließenden Verfahrensschritt bestimmte Bereiche der Polymerschicht entfernbar sind. Hierfur wird in der Regel eine Bestrahlung über eine Maske durchgeführt, so dass nur einige Bereiche der Polymerschicht bestrahlt werden.
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Erfindungsgemäß können verschiedene Bestrahlungsmethoden gewählt werden, welche je nach Zweck der Bestrahlung ausgewählt werden. Solche Bestrahlungsmethoden können Korpuskularstrahlen mit Photonen, Ionen, Elektronen sein.
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Erfindungsgemäß können verschiedene Bestrahlungsmethoden gewählt werden, welche je nach Zweck der Bestrahlung ausgewählt werden. In einer Variante können sog. Positivresists zur Verwendung kommen. D.h. die bestrahlten Bereiche werden verändert und können so herausgelöst werden.
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In einer anderen Variante (sog. Negativresist) werden die bestrahlten Bereiche vernetzt. Diese können sodann nicht mehr herausgelöst werden, während die nicht vernetzten Bereiche entfernt werden können.
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Im abschließenden Schritt kann sodann galvanisierbares Material in die vom Resist befreiten Schichten eingeführt werden. Vorzugsweise sind dies Gold, Nickel, Nickel-Cobalt, Kupfer, Blei und andere.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels und der anliegenden Figuren näher beschrieben.
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In 1 ist ein Beispiel für eine mögliche Beschichtungsmethode dargestellt. Hierbei wird auf die Oberflache 9 des Substrates 6 eine Carbonleitlackschicht 5 aufgebracht. Auf diese Carbonleitlackschicht 5 wird wiederum ein Polymer 4 aufgebracht. Die entsprechende Schichtung ist in 1b dargestellt.
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In 1a ist eine Maske dargestellt. Diese besteht aus einem Träger und den abgedeckten Bereichen 3. Damit können die Strahlen 1 nur partiell auf die Oberflache der Polymerschicht 4 gelangen.
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Infolge der Bestrahlung entsteht das in 1c dargestellte Bild. D.h. der Bereich 7 der Polymerschicht 4 ist ausgespart.
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Im abschließenden Schritt (dargestellt in 1d) kann das Metall 8 in den ausgesparten Bereich 7 eingebracht werden. Eine Entfernung der Carbonleitlackschicht ist nicht erforderlich, da diese hinreichend leitfähig ist.
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Es wird eine Schichtfolge gemäß 1 hergestellt. Das Substrat 6 ist ein Silizum-Wafer, auf welchen die Carbonleitlackschicht 5 aufgebracht wird. Auf die Carbonleitlackschicht wird ein Fotoresist auf Epoxidharzbasis 4 aufgebracht. Mittels Röntgenstrahlung 1 über die Maske 2, 3 erfolgt eine Belichtung der Photoresistschicht 4. Die nicht vernetzten Bereiche werden mittels eines chemischen Lösungsmittels welches in diesem Fall PGMEA (Propylen-Glycol-Methyl-Ethan-Acetol) ist, entfernt. Nach dem Trocknen kann galvanisiert werden. Es entsteht eine aus Gold bestehende Lamelle. Die Goldlamellen sind homogen und gleichmäßig verteilt.
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Vergleichsbeispiel: Es wird ein Silizum-Wafer mit Titan beschichtet und dieses nasschemisch oxidiert. Anschließend wird eine Photoresistschicht aufgetragen und über eine Maske erfolgt eine Bestrahlung. Die nicht ausgehärteten Resistschichten werden mittels eines Lösungsmittels abgelöst und das Substrat getrocknet. Anschließend wird die Resisthaut, die in den zu galvanisierenden Bereichen am Boden auf Grund des schädigenden Einflusses der Sekundärstrahlung entsteht mit einem gerichteten Plasmaätzschritt entfernt werden. Nun kann galvanisiert werden. Im Ergebnis sind die Goldlamellen ungleichmäßig. Infolge des viel niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten des Si-Ti-Tiox-Verbundes gegenüber dem Resist sind die Strukturen weniger regelmäßig.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0635760 A1 [0005]
- DE 19926775 A1 [0006, 0011]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- F.J. Pantenburg u.a., Micro-Electronic Engeneering 23, S. 223 (1994) [0004]
- S.K. Griffiths et al. 2005, J. Micromech. Microeng. 15, 1700 [0007]
- Ruzu, A. u.a., 5" Int. Workshop on High-Aspect-Ratio, Microstructure Technology, Baden-Baden, June 17 19, 2001 [0008]
- Decarlo et al. J.Vac.Ssi. Technol B 16 (6) November/Dezember 1998, 3539 [0013]
