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Die Erfindung bezieht sich auf die Mikrosystemtechnik und betrifft ein Verfahren für die Positionierung von Mikrostrukturelementen, wie es beispielsweise in der Mikrosystemtechnik für die Positionierung von Sensoren oder Aktoren in Mikro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) zum Einsatz kommen kann.
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Mikrostrukturelemente werden in der Mikrosystemtechnik zahlreich eingesetzt. Beispielsweise sind Mikropumpen (Ezkerra et al.: Lab Chip 11, 3320–3325, (2011)) und on-chip integrierte Brennstoffzellen (Esquievel et al.: Lab Chip 12, 74–79 (2012)) bekannt.
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Weiterhin ist ein Si/SiOx-Mikro-Refraktometer auf einem Si-Substrat bekannt (A. Bernardi et al: Applied Physics Letters 93, 094106 (2008)). Danach wird ein Mikroröhrchen mit einem Durchmesser von 2–3 μm und einer Länge von 100 μm bis 1 mm, welches aus einer aufgerollten Si/SiOx-Bischicht besteht, mit einer Flüssigkeit gefüllt. Mittels Mikrophotolumineszenz-Spektroskopie wird durch Anregung mittels eines Lasers der Brechungsindex der Flüssigkeit ermittelt.
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Gleichzeitig ist eine summarische Darstellung bekannter Refraktometer mit ihrer Sensivität, ihren Querschnitten der Kanäle und den schematischen Strukturen angegeben.
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Ebenfalls bekannt sind optofluidische Ringresonatorstrukturen als Mikrostrukturen (K. Scholten et al: Applied Physics Letters 99, 141108 (2011)). Derartige Ringresonatorstrukturen könnten als Sensoren für die biomedizinische Analyse eingesetzt werden. Diese Ringresonatorstrukturen bestehen aus einer kleinen Kapillare, durch die die Analyseflüssigkeit fließt. Derartige Resonatorstrukturen lassen sich aufgrund ihrer Herstellung entweder schlecht in „lab-on-a-chip”-Mikrosysteme integrieren oder sie weisen vergleichsweise schlechte optische Eigenschaften (Q-Faktoren) auf.
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Ein bekanntes Verfahren in der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik zur Herstellung von integrierten Schaltungen ist die Fotolithographie, bei der auf einer Oberfläche eine dünne ganzflächige Schicht aus Fotolack aufgebracht und durch eine lokale Änderung der chemischen Eigenschaften des Fotolacks und dessen Entfernung in den veränderten (Negativlack) oder unveränderten (Positivlack) Bereichen eine Strukturierung vorgenommen wird. Die lokale Änderung der chemischen Eigenschaften des Fotolacks wird durch Belichtung und dadurch ausgelöste fotochemische Reaktionen realisiert (Wikipedia, Stichwort Fotolithografie).
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Aus der
DE 103 92 199 T5 ist eine Folie mit Mikroarchitektur sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Folie bekannt. Mit dem dort offenbarten Verfahren werden eine thermoplastische Schicht sowie ein Werkzeug mit einer Vorwölbung bereitgestellt, wobei die Vorwölbung so groß, so geformt und so angeordnet ist, dass sie jedem Durchgang in der Mikroarchitektur entspricht. Dabei werden zwei Polymerschichten übereinander aufgetragen und ein Durchgang realisiert, bei dem in halber Höhe ein Absatz vorhanden ist, der von den seitlichen Wänden eingerahmt wird. In einem solchen Durchgang kann dann ein Mikrostrukturelement mit der Negativform des strukturierten Durchgangs positioniert werden.
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Nachteilig bei den bekannten Lösungen zur Herstellung von Mikrosystemen mit Mikrostrukturelementen ist im Wesentlichen das Positionieren der Mikrostrukturelemente im Zusammenhang mit anderen Strukturelementen auf einem Substrat, insbesondere Strukturelementen mit anderen Eigenschaften und Funktionen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens für die Positionierung von Mikrostrukturelementen, mit welchem ein positionsgenaues und stabiles Positionieren von einzelnen und mehreren Mikrostrukturelementen mit gleichen oder unterschiedlichen Formen und/oder Eigenschaften und/oder Funktionen, realisiert wird.
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Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für die Positionierung von Mikrostrukturelementen in Form eines Rohres oder Drahtes werden auf ein Substrat mindestens zwei Polymerschichten mindestens teilweise übereinander aufgebracht, die nachfolgend in zwei räumlich unabhängig voneinander positionierte Plattformen in rechteckiger Form mit jeweils einem darauf oder darum befindlichen Rahmen strukturiert werden, jeder Rahmen mindestens an gegenüberliegenden Seiten der Plattform eine größere Höhe als die Plattform aufweist und das Mikrostrukturelement innerhalb der Rahmen der zwei Plattformen, mindestens zwischen die Teile der Rahmen, die über die Plattform hinausragen, auf den Plattformen positioniert werden.
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Vorteilhafterweise werden die zwei Plattformen so strukturiert, dass die zwei Plattformen in ihrer geometrischen Form und in ihren Abmessungen im Wesentlichen der geometrischen Form der Teile des Mikrostrukturelementes entsprechen
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Weiterhin vorteilhafterweise werden als Substrat Siliziumwafer, Glas, insbesondere D263T, Keramiken oder Polymere eingesetzt.
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Ebenfalls vorteilhafterweise werden als Polymermaterial Fotolacke der SU-8 Reihe mit verschiedenen Viskositäten, AR-N 4400, vorteilhafterweise CAR 44, oder PMMA eingesetzt.
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Und auch vorteilhafterweise werden die Plattformen aus der unteren Polymerschicht und der Rahmen aus der unteren und der oberen oder nur aus der oberen Polymerschicht hergestellt werden.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn jeder Rahmen an den gegenüberliegenden längeren Seiten der jeweiligen Plattform hergestellt wird.
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Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn Rahmen hergestellt werden, deren Höhe, die über die Plattformen hinausragt, mindestens der Höhe des Mikrostrukturelementes entspricht.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das Mikrostrukturelement nach der Positionierung befestigt wird, wobei noch vorteilhafterweise die Befestigung durch Aufbringen einer Abdeckung realisiert wird.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es erstmals möglich, Mikrostrukturelemente positionsgenau und stabil zu positionieren, wobei einzelne oder mehrere Mikrostrukturelemente positioniert werden können, die gleiche oder unterschiedliche Formen und/oder Eigenschaften und/oder Funktionen aufweisen.
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Realisiert wird dies durch ein Verfahren, bei dem auf ein Substrat mindestens zwei Polymerschichten mindestens teilweise übereinander aufgebracht werden. Als Substrat dienen beispielsweise Siliziumwafer, Glas, Keramiken oder Polymere. Generell können als Substrate alle Materialien eingesetzt werden, auf denen die Polymerschichten haften und die für die jeweiligen Verfahrensschritte temperatur- und formstabil sind. Die beiden Polymerschichten sind vorteilhafterweise Fotolacke, insbesondere Negativlacke die nach der Strukturierung durch Bestrahlung und Entfernung als Plattform und Rahmen auf dem Substrat verbleiben. Als Rahmen soll eine wallförmige Anordnung auf oder um die Plattform verstanden werden, der vollständig oder auch nicht vollständig die Plattform umgeben kann. Der Rahmen ist dabei auf oder um die Plattform herum angeordnet und weist mindestens teilweise eine größere Höhe über dem Substrat auf, als die Plattform.
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Vorteilhafterweise bildet die mindestens erste Polymerschicht die Plattform und vorteilhafterweise die mindestens zweite Polymerschicht den Rahmen. Der Rahmen kann aber auch aus erster und zweiter Polymerschicht bestehen und damit um die Plattform angeordnet werden. Andernfalls wird der Rahmen auf der Plattform angeordnet.
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Die geometrische Form und die Abmessungen der Plattform und auch des Rahmens werden dabei im Wesentlichen an die geometrische Form und Abmessungen der Mikrostrukturelemente angepasst, da dadurch Platz auf dem Substrat gespart wird.
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Soll beispielsweise ein Mikrostrukturelement in Form eines Rohres oder Drahtes positioniert werden, so wird eine Plattform in einer rechteckigen Form hergestellt. Der Rahmen kann vorteilhafterweise nur an den gegenüberliegenden längeren Seiten der Plattform hergestellt werden. Oder im Falle eines Mikrostrukturelementes in Form eines Ringes oder Zylinders wird eine Plattform in einer Kreisform und der Rahmen in Form eines Ringes hergestellt werden.
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Der Rahmen soll dabei mindestens teilweise über die Plattform hinausragen, damit die Mikrostrukturelemente von dem Rahmen auf ihrer Position gehalten werden. Dies kann noch vorteilhafterweise unterstützt werden, indem das Mikrostrukturelement beispielsweise durch eine Abdeckung auf dem Rahmen sicher positioniert wird.
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Von besonderem Vorteil für die erfindungsgemäße Lösung ist, dass gleichzeitig eine Vielzahl von Plattformen und Rahmen auf einem Substrat in verschiedenen Formen und Abmessungen realisiert werden können und damit auch eine Vielzahl an gleichen oder unterschiedlichen Mikrostrukturelementen auf dem Substrat positioniert werden können. Diese Mikrostrukturelemente können dabei gleiche Formen, Abmessungen und Funktionen aufweisen und/oder unterschiedliche Formen, Abmessungen und Funktionen. Weiterhin ist erfindungsgemäß auch die Möglichkeit von unterschiedlichen lateralen Orientierungen der Mikrostrukturelemente gegeben, ebenso wie serielle und/oder parallele Anordnungen von gleichen oder unterschiedlichen Mikrostrukturelementen. Dies ist besonders für die Herstellung von logischen Schaltkreisen interessant.
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Als unterschiedliche Funktionen der Mikrostrukturelemente können solche mit optischen und/oder magnetischen und/oder elektrischen Funktionen, insbesondere für die Sensorik eingesetzt werden.
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Erfindungsgemäß ist der Einsatz von Fotolithografieverfahren besonders vorteilhaft. Damit ist die Strukturierung der Polymerschichten in hoher Flexibilität hinsichtlich Form, Abmessung und Orientierung der verbleibenden Polymerschichten in Form von Plattform(en) und Rahmen möglich.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine einfache Handhabung der Positionierung von Mikrostrukturelementen möglich, welches auch sehr kostengünstig und für eine Massenproduktion einsetzbar ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch die Positionierung eines Mikroröhrchens
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Beispiel
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Ein Mikroröhrchen 3 mit einer Länge von 200 μm und einem Durchmesser von 10 μm aus SiO2 (Siliziumdioxid) soll auf einem Siliziumwafer positioniert werden. Dazu wird auf die Waferoberfläche ein Negativlack (SU-8 10) in einer Schichtdicke von 5 μm aufgebracht. Nachfolgend wird der Lack mit einer Maske bedeckt und 30 s mit UV-Licht belichtet. Anschließend wird eine weitere Schicht aus diesem Negativlack mit einer Schichtdicke von 15 μm auf die gesamte Oberfläche aufgebracht und auch diese Schicht mit einer Maske bedeckt und 30 s mit UV-Licht belichtet. Vor und nach der Belichtung werden die Schichten gebacken und nach dem letzten Backschritt die unbelichteten Lackmaterialien durch einen Entwickler (mr-DEV 600) entfernt. Die Backschritte beginnen mit einer Temperaturerhöhung von 60°C auf 90°C, wobei die Temperaturerhöhung der Probe mit einer Geschwindigkeit von 3°C pro Minute erfolgt. Dann wird die Temperatur konstant auf 90°C über 10 Minuten gehalten. Das Abkühlen erfolgt ebenfalls von 90°C auf 60°C mit 3°C pro Minute. Durch die Masken sind danach eine Plattform 2 mit den Abmessungen 40 × 90 μm in Form von einem länglichen abgerundeten Rechteck und ein Rahmen 1 in Form von zwei kürzeren jeweils einseitig abgerundeten Rechtecken mit den Abmessungen 30 × 50 μm aus den verbleibenden Fotolackschichten entstanden, die für die Positionierung des Mikroröhrchens 3 dienen. In den Zwischenraum zwischen den Rahmen 1 auf die Plattform 2 wird das Mikroröhrchen 3 positionsgenau und stabil positioniert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rahmen
- 2
- Plattform
- 3
- Mikrostrukturelement
