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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen dreidimensionaler Mikrostrukturen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei einem Verfahren der vorliegenden Art wird demnach zunächst ein Ausgangsmaterial auf ein Substrat aufgebracht, wobei die Eigenschaften des Ausgangsmaterials durch Belichten mit elektromagnetischer Strahlung veränderbar sind. In bekannten lithographischen Verfahren beispielsweise liegen solche Ausgangsmaterialien als Positiv- oder Negativ-Photolacke vor. Sodann wird in das Ausgangsmaterial mittels ortsaufgelösten Belichtens eine dreidimensionale Ausgangsstruktur geschrieben, sei es durch eine sequentielle Lage-für-Lage-Methode oder in einem Schritt. Je nach Art des verwendeten Ausgangsmaterials (beispielsweise Positiv- oder Negativ-Photolack) wird die Ausgangsstruktur aus dem Ausgangsmaterial entfernt, oder aber das Ausgangsmaterial wird bis auf die Ausgangsstruktur entfernt. Danach wird die Ausgangsstruktur in ein Zielmaterial abgeformt, aus dem die herzustellende Mikrostruktur bestehen soll. Übliche Zielmaterialien sind insbesondere Metalle, Metalllegierungen, Halbleiter und Keramiken.
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Mikrostrukturen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind solche Strukturen, die senkrecht zum Substrat eine Ausdehnung im Bereich von größer als ca. 0,1 µm bis zu etwa 1 mm aufweisen. Als „dreidimensional“ im Sinne der vorliegenden Erfindung werden Mikrostrukturen bezeichnet, die in Draufsicht auf das Substrat nach innen oder außen gerichtete Hinterschneidungen aufweisen können, wobei eine räumliche Periodizität nicht gegeben sein muss.
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Im Stand der Technik werden Mikrostrukturen üblicherweise mittels einer aus einem Positiv-Photolack hergestellten Matrize abgeformt. Das Belichten von Positiv-Photolacken führt zu einer chemischen oder physikalischen Änderung an der belichteten Stelle. Diese Änderung kann beispielsweise durch das Aufbrechen chemischer Bindungen entstehen. Um dreidimensionale Strukturen herstellen zu können, fokussiert man eine Lichtquelle in den Positiv-Photolack, und zwar so, dass die chemischen Bindungen des Photolacks nur im Fokus aufbrechen. Dies kann durch einen nichtlinearen Effekt erreicht werden, d.h. entweder reagiert der Lack nicht-linear und besitzt einen Grenzwert der Lichtintensität, unterhalb dessen er nicht mehr belichtet werden kann, oder man benutzt die Methode der Zwei- oder Mehrphotonenpolymerisation, d.h. dass die Wahrscheinlichkeit zur Belichtung im Fokus durch die dort erhöhte Intensität im Vergleich zur Umgebung gesteigert ist. Das Aufbrechen von chemischen Bindungen im Positiv-Photolack hat eine selektive Löslichkeit desselben in einem nachfolgenden Entwicklungsschritt zur Folge. Nur die belichteten Bereiche werden herausgewaschen.
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Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise aus der Veröffentlichung Gansel, Thiel, Rill, Decker, Bade, Saile, von Freymann, Linden, Wegener: Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband Circular Polarizer, Science, Volume 325, 1513 (September 2009) bekannt. Dort werden dreidimensionale Mikrostrukturen aus Gold dadurch hergestellt, dass Positiv-Photolacke durch ein direktes Laserschreibverfahren basierend auf einem Multiphotonen-Absorbtionsmechanismus belichtet und entwickelt werden. Durch die Belichtung bzw. das Schreiben einer Ausgangsstruktur entstehen beim Entwickeln Hohlräume an denjenigen Stellen des Positiv-Photolacks, in die der Laser fokussiert wurde. In diese Hohlräume wird anschließend galvanisch aus einem Elektrolyten Gold abgeschieden.
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Bedingt durch die Positiv-Photolack-Eigenschaften unterliegt dieses bekannte Verfahren jedoch Einschränkungen: Positiv-Photolacke sind in der Regel nicht in der Lage, wohldefinierte Strukturen einer Höhe von mehr als einigen 10 µm zu bilden, da der Photolack selbst nicht dicker als etwa einige 10 µm aufgetragen werden kann, ohne dass die Qualität der Ausgangsstruktur merklich abnimmt. Durch Mehrfachbelackung könnte dies zwar vervielfacht werden, dadurch erhöht sich jedoch die Komplexität bei abnehmender Qualität der Ausgangsstruktur. Ferner haben Positiv-Photolacke die Eigenschaft, eine relativ niedrige Auflösung für optische Lithografieprozesse (insbesondere bei dreidimensionaler Belichtung) zu bieten, so dass feinere Strukturen von unterhalb etwa 500 nm nicht mehr in der erforderlichen Qualität hergestellt werden können.
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Negativ-Photolacke besitzen die oben genannten Einschränkungen der Positiv-Photolacke zwar nicht, jedoch muss hier das gesamte Volumen des Lacks mit Ausnahme derjenigen Bereiche belichtet werden, in die später das Zielmaterial abgeschieden werden soll. Die damit einhergehende Erhöhung der Belichtungszeit ist höchstens im Labormaßstab akzeptabel. Alternativ können mehrere Verfahren simultan oder sequentiell eingesetzt werden um die Schreibzeit zu minimieren, beispielsweise durch Maskenbelichtung großer Photolack-Volumina auf dem Substrat, jedoch nimmt in diesem Fall die Komplexität zu.
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In Dokument
DE 697 07 634 T2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen durch Mehrschicht-Strukturierung eines Photolackes unter Verwendung von Maskenlithographie beschrieben. Das Dokument
US 2009/0194425 A1 beschreibt ein Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von Mehrschicht-Strukturen.
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Weitere Beispiele für Verfahren zum Herstellen dreidimensionaler Mikrostrukturen, die jedoch nicht direkt einem Verfahren der vorliegenden Art entsprechen, finden sich in der Veröffentlichung „LIGA and its Applications“, in: Advanced Micro & Nanosystems, Band 7, 1. Auflage, Wiley-VCH, 2009. und in der Veröffentlichung „Stereolithographie - das bekannteste Verfahren des Rapid Prototyping“, Band V146092, Grin Verlag, 2010. In der erstgenannten Schrift zum Stand der Technik werden zwei- und dreidimensionale Strukturen durch das Bestrahlen von Photolacken, galvanische Abscheidung und Mikroabformung hergestellt. Hierzu werden Photomasken verwendet, die auf die Photolacke aufgelegt werden. Hierdurch können Hoch-Aspekt-2D-Strukturen hergestellt werden, durch gerichtete Belichtung aus verschiedenen Einfallswinkeln und Mehrfachbelichtung können auch komplexere 3D-Strukturen realisiert werden. In der zweiten genannten Schrift zum Stand der Technik wird ein Stereolithographie-Verfahren beschrieben, mit dem auch Mikrostrukturen hergestellt werden können. Hierbei werden in einem Bad, welches mit den Basismonomeren eines lichtempfindlichen Kunststoffes gefüllt ist, dünne Kunststoffschichten von einem Laser ausgehärtet. Nach jedem Aushärteschritt wird das Werkstück einige Mikrometer in die Flüssigkeit abgesenkt und auf eine Position zurückgefahren, die um den Betrag einer Schichtstärke unter der vorherigen liegt. Hierdurch wird Lage für Lage eine dreidimensionale Struktur aufgebaut.
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Der vorliegenden Erfindung liegt, ausgehend vom beschriebenen Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, dreidimensionale Mikrostrukturen in einem Verfahren der eingangs genannten Art schneller und/oder genauer als bislang möglich und/oder mit größerer Höhe herstellen zu können.
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Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieses Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 12 niedergelegt.
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Der Kern der vorliegenden Erfindung besteht darin, vor dem Abformen in das Zielmaterial eine Schalenstruktur bereitzustellen. Diese Schalenstruktur ist eine Hohlstruktur, die die Matrize zum Abformen der herzustellenden Mikrostruktur darstellt, d.h. das Zielmaterial wird zum Abformen in die Schalenstruktur eingebracht, so dass es die Form des innerhalb der Schalenstruktur befindlichen bzw. von diesem umschlossenen Hohlraums erhält. Die Schalenstruktur selbst besitzt bezüglich des von ihr umschlossenen Raums zumeist ein relativ kleines eigenes Volumen, so dass deren Herstellung nur wenig Zeit in Anspruch nimmt. Dies unterscheidet sie wesentlich von einer Vorgehensweise, bei der ein Negativ-Photolack überall außerhalb einer Ausgangsstruktur belichtet wird. Ein weiterer Vorteil kann beispielsweise eine höhere Auflösung oder Funktionalität sein, die gegebenenfalls auch zu Lasten der Schreibzeit gehen kann.
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Die Umsetzung dieses erfinderischen Prinzips erfolgt jeweils in einem ersten Schritt mittels ortsaufgelösten Belichtens eines Ausgangsmaterials, beispielsweise eines Negativ-Photolacks, wobei nachfolgend jeweils der unbelichtete Bereich heraus gelöst wird.
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In einer ersten Variante, die bei Verwendung eines Negativ-Photolacks, in einer vorzugsweisen Ausgestaltung unter Verwendung eines Mehrphotonen-Belichtungsverfahrens oder der Stereolithographie oder beim Lasersintern oder dergleichen, zum Einsatz kommen kann, wird eine dreidimensionale Ausgangsstruktur in das Ausgangsmaterial geschrieben, die die Form der herzustellenden Mikrostruktur als Matrize umgibt. Diese Matrize verbleibt sodann auf dem Substrat, während das unbelichtete Ausgangsmaterial entfernt wird. Die als Matrize hergestellte Ausgangsstruktur kann dann als erfindungsgemäße Schalenstruktur verwendet werden. Gegebenenfalls muss diese Schalenstruktur vor dem Entfernen des unbelichteten Ausgangsmaterials geöffnet werden, so dass sich die erwünschte Hohlstruktur bzw. Schalenstruktur ergibt. Bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also die erfindungsgemäße Schalenstruktur direkt in das Ausgangsmaterial geschrieben, so dass sich ein Zwischenschritt zur Herstellung der Schalenstruktur erübrigt. Wie erwähnt, kann dies vorteilhafterweise in einem hochauflösenden Negativ-Photolack geschehen, in dem Strukturen im interessierenden Bereich zwischen etwa 0,1 µm bis hin zu etwa 1 mm Höhe bzw. Entfernung vom Substrat erzeugt werden können.
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Ein weiterer Vorteil dieser erfindungsgemäßen Verfahrensvariante besteht darin, dass die Schale nicht gleichförmig/oberflächenkonform die später entstehende Mikrohohlstruktur umgeben muss. Dies ermöglicht beispielsweise eine gerichtete, geführte Beweglichkeit (Drehung oder Vorschub) der aufgefüllten Mikrostruktur, wenn der die Mikrostruktur umgebende Außenraum mit einem anderen Material aufgefüllt und die Schale in einem nachfolgenden Schritt entfernt wird, was beispielsweise für MEMS-Anwendungen entscheidende neue Möglichkeiten eröffnet.
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In einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Ausgangsstruktur in das Ausgangsmaterial geschrieben, die nicht wie in der ersten Variante die herzustellende Form als Matrize umschreibt, sondern die die Form der herzustellenden Form selbst aufweist. Die Ausgangsstruktur kann hierbei die Form der herzustellenden Mikrostruktur vollständig ausfüllen; es kann jedoch ausreichen, nur die äußere Kontur der Form der herzustellenden Mikrostruktur als Ausgangsstruktur in das Ausgangsmaterial zu schreiben. Wichtig ist lediglich, dass eine Ausgangsstruktur in das Ausgangsmaterial geschrieben wird, die nach dem Entfernen des unbelichteten Ausgangsmaterials zurückbleibt und eine geschlossene äußere Kontur in der Form der herzustellenden Mikrostruktur aufweist.
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Um diese zurückbleibende Ausgangsstruktur wird sodann eine Schalenstruktur als Hilfskonstruktion erzeugt, beispielsweise durch Beschichten, Besprühen oder Bedampfen. Gegebenenfalls muss diese Schalenstruktur dann geöffnet werden, um einen Zugang von außen in den Innenraum der Schalenstruktur zu erhalten, so dass von dort die Ausgangsstruktur entfernt werden kann. Danach erfolgt die Abformung in das Zielmaterial, indem dieses in die Schalenstruktur eingebracht wird. Diese zweite Variante benötigt zwar einen Verfahrensschritt mehr als die erste Variante, bietet dafür jedoch die Möglichkeit, viele unterschiedliche Materialien für die Schalenstruktur zu verwenden, so dass die Schalenstruktur ganz oder teilweise bestehen bleiben kann, nachdem die eigentliche Mikrostruktur hergestellt worden ist. Die Schalenstruktur kann dann beispielsweise eine Stützfunktion für die eigentliche Mikrostruktur übernehmen oder nach Auffüllung des umgebenden Außenraums und nachfolgender Entfernung der Schale bestimmte Beweglichkeiten der Mikrostruktur ermöglichen.
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Insoweit die Schalenstruktur für einen Zugang zu deren Innenraum geöffnet werden muss, kann dies im Rahmen der vorliegenden Erfindung mechanisch, insbesondere durch Polieren, Schleifen und dergleichen, oder mittels ätzender Verfahren, insbesondere mittels reaktivem lonenätzen oder Plasmaätzen, geschehen.
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Das Einbringen des Zielmaterials in die Schalenstruktur erfolgt vorzugsweise durch Abscheiden aus einer Lösung, was in der Regel galvanisch geschieht, jedoch auch mittels stromlosen Plattierens (electroless deposition/plating) erfolgen kann.
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Beim Abformen in das Zielmaterial ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung problemlos möglich, unterschiedliche Zielmaterialien nacheinander oder gleichzeitig in die Schalenstruktur einzubringen, um die herzustellende Mikrostruktur mit gewünschten Eigenschaften zu versehen. Vorzugsweise bestehen die Zielmaterialien aus Gold, Silber, Kupfer, Nickel, Wolfram, Kobalt, und/oder aus Legierungen dieser Metalle sowie beispielsweise, aber nicht ausschließlich weiteren Legierungen wie NiFe, NiCo oder SnPb.
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Das Schreiben der Ausgangsstruktur in das Ausgangsmaterial erfolgt durch Einbringen eines fokussierten Laserstrahls in das Ausgangsmaterial, wie dies an sich bekannt ist (siehe z.B. S. Maruo, O. Nakamura, und S. Kawata, „Threedimensional microfabrication with two-photon-absorbed photopolymerization," Opt. Lett. 22, 132 (1997)). Hierdurch können mit hoher Genauigkeit dreidimensionale Strukturen geschrieben werden.
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Um das Zielmaterial mit einem galvanischen Prozess in die Schalenstruktur einbringen zu können, ist es vorteilhaft, ein Substrat mit einer elektrisch leitfähigen Oberfläche zu verwenden. Dies kann ein elektrisch leitendes Substrat sein, oder aber ein Substrat, das mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen worden ist. Beispielsweise kann das transparente Oxid ITO verwendet werden, aber auch das direkte Beschreiben auf leitfähige Substrate wie Silizium ist möglich. Hierbei ist es dann vorteilhaft, wenn diejenigen Bereiche der Substratoberfläche, welche die Schalenstruktur außen umgeben, mittels einer isolierenden Schicht abgedeckt werden, so dass zum Einbringen des Zielmaterials in die Schalenstruktur nur die innerhalb der Schalenstruktur befindlichen Bereiche der Substratoberfläche elektrisch leitend bleibt. Dies stellt sicher, dass das Zielmaterial auch nur innerhalb der Schalenstruktur abgeschieden wird. Da die Schalenstruktur erfindungsgemäß relativ hoch über die Oberfläche des Substrats übersteht, kann eine solche elektrisch isolierende Beschichtung ganz einfach durch seitliches Einfließenlassen eines isolierenden Materials, beispielsweise eines (Photo-)-Lacks erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, die mit einer isolierenden Schicht zu versehende Oberfläche des Substrats seitlich oder abhängig von der Geometrie der dreidimensionalen Struktur auch direkt von oben, gerichtet oder ungerichtet zu bedampfen, zu besprühen, oder auf andere Weise mit einer elektrischen Isolierung zu versehen, und dergleichen mehr. Eine chemische Funktionalisierung kann darüber hinaus beim stromlosen Plattieren zur gewünschten räumlichen Selektivität des Wachstumsprozesses führen.
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Alternativ kann als Substrat bereits ein vorstrukturiertes Substrat, beispielsweise eine Leiterplatte, verwendet werden, d.h. das Substrat selbst besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, wobei elektrisch leitende Strukturen solcherart in das Substrat eingebracht sind, dass jeweils dort, wo ein Innenbereich einer Schalenstruktur entstehen wird, eine elektrisch leitende Durchführung in diesen Innenbereich hinein vorbereitet ist.
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Mehrere Ausführungsbeispiele für Anwendungen von erfindungsgemäß ausgestalteten Verfahren werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer Apparatur, mit der einige Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden können;
- 2: eine schematische Visualisierung der Abfolge der wichtigsten Verfahrensschritte bei einer beispielhaften Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 3: eine schematische Visualisierung der Abfolge der wichtigsten Verfahrensschritte bei einer beispielhaften Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 4: eine schematische Visualisierung der Abfolge der wichtigsten Verfahrensschritte bei einer beispielhaften Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 5: eine schematische Visualisierung der Abfolge der wichtigsten Verfahrensschritte bei einer beispielhaften Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 6: eine schematische Visualisierung der Abfolge der wichtigsten Verfahrensschritte bei einer beispielhaften Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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1 zeigt schematisch und exemplarisch das Verfahren des Scheibens einer dreidimensionalen Ausgangsstruktur in ein Ausgangsmaterial mittels direkten Laserschreibens. Ein Laserstrahl 7 wird über ein Objektiv 3 und ggf. durch ein Immersionmedium 6 und durch ein transparentes Substrat 2 in einen Negativ-Photolack 1 als Ausgangsmaterial fokussiert 5. Durch diese Bestrahlung ändern sich die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Photolacks 4, im hier dargestellten Beispiel polymerisiert dieser. Bei einer nachfolgenden nasschemischen Entwicklung kann z.B. das gesamte Ausgangsmaterial entfernt werden - mit Ausnahme des polymerisierten Photolacks 4.
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2 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Auf einem per se oder durch Beschichtung leitfähig gemachten Substrat 2 wird direkt eine dreidimensionale Struktur 8 als Hohlstruktur geschrieben (a). Nach dem Entwickeln wird der Außenbereich elektrisch isoliert durch Aufbringen eines Isolators 9, beispielsweise durch Gießen eines flüssigen (Photo-)lacks beliebiger Höhe (b, c), wobei die Höhe z.B. eine (zusätzliche) stützende Funktion nachfolgend übernehmen kann. Die Hohlstruktur 8 kann dann nach Bedarf bis zu einer bestimmten Höhe mit einem Zielmaterial 10 gefüllt werden (d). Nachfolgend kann die Stütze 9 beispielsweise entfernt werden, um die metallische Struktur 10 bzw. die Legierung freizulegen (e).
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3 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel, mit Schreiben und ggf. Entwickeln einer dreidimensionalen Hohlstruktur 8 (a), welche bereits so relativ zu einem vorstrukturierten Substrat 2 positioniert ist, dass nur der Innenraum in einem nachfolgenden galvanischen oder stromlosen Wachstumsprozess bis zu der gewünschten Höhe mit dem Zielmaterial 10 befüllt wird (b). Das Substrat könnte beispielsweise eine Leiterplatte sein, auf der elektrisch durchkontaktiert 11 wurde. Nachfolgend kann die stützende Hohlstruktur 8 entfernt werden (c).
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4 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Schreiben und ggf. Entwickeln eines dreidimensionalen Körpers mit einer geschlossenen Oberfläche als Ausgangsstruktur 12 (a). Diese kann beispielsweise in einem nächsten Schritt teilweise oder gänzlich mit einem anderen Hilfsmaterial 13 umgeben werden (b). Hierzu kann es bei vollständiger Einbettung notwendig werden, die Oberfläche 14 des Ausgangsmaterials 12 zunächst wieder durch Polieren, Ätzen oder sonstige Verfahren freizulegen (c), um dann das Ausgangsmaterial 12 gänzlich zu entfernen (d) so dass das Hilfsmaterial 13 die erfindungsgemäße Schalenstruktur 8 bildet, und nachfolgend in den Innenraum 15 das Zielmaterial 10 einzubringen (e).
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5 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Schreiben und ggf. Entwickeln eines dreidimensionalen Körpers (a) mit einer geschlossenen Oberfläche als Ausgangsstruktur 12. Durch beispielsweise Bedampfen kann die Oberfläche mit einem zweiten Hilfsmaterial 16 überzogen werden (b), welches schlussendlich nach Abfolge der zuvor zur 4 beschriebenen Schritte (c-f) und Entfernung desselbigen (g) Beweglichkeiten ermöglicht (g,h). Die Dicke des Materials 16 steuert hierbei die Bewegungsmöglichkeiten.
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6 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Schreiben und ggf. Entwickeln eines dreidimensionalen Hohlkörpers (a) als Schalenstruktur 8, der insbesondere dadurch gekennzeichnet ist, dass die Wandstärke verschieden dick ist, somit die Außenhülle des Hohlkörpers 8 nicht mehr oberflächenkonform zu dessen Innenseite ist. Dies ermöglicht nach Abfolge der zuvor beschriebenen Schritte (b-d) gezielte Beweglichkeiten (z.B. geführte Drehung oder Gleiten entlang einer oder mehrerer Richtungen), was insbesondere MEMS-Anwendungen neue Möglichkeiten erschließt.
