DE10219584A1

DE10219584A1 - Verfahren zur Herstellung von Mikrosieben

Info

Publication number: DE10219584A1
Application number: DE10219584A
Authority: DE
Inventors: Andreas Gombert; Volkmar Boerner; Josef Robert; Ilka Gehrke; Benedikt Blaesi; Michael Niggemann; Christian Schlemme
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2003-11-20
Also published as: US20050214692A1; EP1499926A1; WO2003091804A1

Abstract

Bei einem neuen Verfahren zur Herstellung von Mikrosieben wird das Siebmaterial durch Schrägbeschichtung auf eine mit einer Reliefstruktur versehenen Oberfläche eines Substrats aufgebracht. Für die Erzielung des gewünschten Lochmusters weist die Reliefstruktur zweckmäßig ein zusammenhängendes Netz aus ersten Oberflächenteilen, deren lokale Flächennormalenvektoren mit dem Einheitsvektor der Oberfläche einen kleinen Winkel einschließen, und zwischen den ersten Oberflächenteile zweite Oberflächenteile, deren lokale Flächennormalenvektoren mit dem Richtungsvektor der Beschichtung einen kleinen Winkel einschließen, auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Mikrosieben.
Mikrosiebe zur Feinfiltration beispielsweise von Flüssigkeiten und zur Strahlungsfilterung oder - abschirmung sind seit langem bekannt. Es handelt sich hierbei üblicherweise um regelmäßige Lochstrukturen mit flächig verbundenen Stegen zwischen den Löchern. Für die Strahlungsfilterung oder -abschirmung sind die Stege meist metallisch und weisen eine hohe Leitfähigkeit auf. Zur Feinfiltration sind metallische und nichtmetallische Werkstoffe geeignet. Da Mikrosiebe mit sehr dünnen Stegen freitragend eine für die Filtration zu geringe mechanische Stabilität aufweisen, werden diese von einem zweiten, bezüglich der Loch- und Stegabmessungen wesentlich größeren Gitter gestützt. Für die Strahlungsfilterung können sich die Lochstrukturen auf einem Substrat befinden, das in dem für die Filterung interessanten Wellenlängenbereich optisch transparent ist. Die Löcher der Mikrosiebe können nahezu rund oder auch in einer Richtung elongiert sein. Typische Abmessungen der Löcher liegen im Bereich von 0,1 µm bis 100 µm. Insbesondere die Herstellung von Mikrosieben mit typischen Lochabmessungen in zumindest einer Richtung von 0,1-5 µm ist bisher sehr aufwendig, da hierfür teure Strukturierungsverfahren wie das LIGA-Verfahren oder die Photolithographie und Interferenzlithographie in Verbindung mit Ätz- oder Lift-Off-Techniken eingesetzt werden müssen.
Lochstrukturen mit minimalen Lochabmessungen von > ca. 1 µm können im Labor photolithographisch durch Kontaktbelichtung gebildet werden. Hierbei wird zuerst eine Maske durch Elektronenstrahlschreiben hergestellt. Diese wird zur Vervielfältigung gegen ein mit Photoresist beschichtetes Substrat, z. B. einen dünnen Film auf Glas oder Silizium, gepreßt. Beim Belichtungsvorgang werden nur die von der Maske nicht abgedeckten Bereiche des Photoresists mit UV- Strahlung bestrahlt. In den belichteten Bereichen hat der Photoresist eine im Vergleich zu den unbelichteten Bereichen deutlich unterschiedliche Löslichkeitsrate im anschließenden Entwicklungsprozeß. Bei Positivresists lösen sich die belichteten Bereiche schneller, bei Negativresists die unbelichteten. Dadurch entsteht nach der Entwicklung ein Oberflächenrelief, das bei geeigneter Wahl der Belichtungs- und Entwicklungsparameter den dünnen Film an der Stelle der Stege maskiert und an der Stelle der Löcher freiläßt. Anschließend kann der Film naßchemisch oder mittels Ionenätzen geätzt und der Photoresist entfernt werden.
Eine andere Technik ist das Lift-Off-Verfahren. Bei diesem wird zuerst das Substrat mit Photoresist beschichtet und dieser strukturiert. Anschließend wird das Substrat einschließlich der Photoresiststruktur mittel eines Vakuumverfahrens wie Aufdampfen oder Sputtern mit dem dünnen Film versehen. Durch Lösen der Photoresiststruktur wird an diesen Stellen der Film abgehoben. Die Maske für geätzte Strukturen und für Strukturen nach dem Lift-Off-Verfahren muß bei ansonsten gleicher Prozeßführung komplementär sein.
Zu den bekannten Strukturierungsverfahren zählt auch die Photolithographie in Verbindung mit Elektroformung, die insbesondere bei dicken zu strukturierenden Schichten Anwendung findet. Dieses Verfahren wird auch als Low-Cost-LIGA-Verfahren bezeichnet.
Das Kontaktbelichtungsverfahren hat den Nachteil, daß es industriell nicht für Lochmaße < 1 µm eingesetzt werden kann, da der Ausschuß wegen unvermeidbarer Variationen des Abstands zwischen Maske und Substrat zu hoch wäre.
Die Belichtung des Photoresists kann auch im Projektionsbelichtungsverfahren erfolgen. Dabei wird die Maske typischerweise im Verhältnis 5 : 1 verkleinert auf die Photoresistschicht projiziert. Das gesamte Substrat wird durch mehrmaliges Belichten desselben Musters auf der Maske in einem Step-and-Repeat-Prozeß belichtet. Die Projektionsbelichtung hat den Vorteil, daß mit diesem Verfahren auch Strukturen < 1 µm in der Photoresistschicht industriell gefertigt werden können. Allerdings ist eine Projektionsbelichtungsmaschine mit Belichtungswellenlängen im tiefen UV- Bereich erforderlich. Solche Projektionsbelichtungsmaschinen haben hohe Investitionskosten. Des weiteren benötigt man für Projektionsbelichtung wegen der geringen Schärfentiefe der Abbildung extrem plane Substrate, die in der Regel nur durch teure Oberflächenbearbeitungsprozesse wie Läppen und Polieren erhältlich sind. Das bedeutet, daß die Kosten für die einzusetzenden Substrate steigen.
Besonders zur Bildung von periodischen Strukturen (Gitterstrukturen) eignet sich die Interferenzlithographie, die auch bereits zur Herstellung von Mikrosieben vorgeschlagen wurde. Bei dieser Technik wird Photoresist mit dem Interferenzmuster mindestens zweier oder mehr sich überlagernder kohärenter Wellenfelder belichtet. Die Periode Λ des Gitters ergibt sich bei symmetrischem Einfall der zwei Wellen durch folgende Beziehung:

mit λ₀ gleich der Wellenlänge der kohärenten Wellenfelder und θ_i gleich dem Winkel, den die Ausbreitungsrichtungen der einfallenden Wellen mit der normalen zur belichteten Fläche einschließen.
Hierbei werden mit einer Belichtung Liniengitter erzeugt. Bekannt ist auch die Herstellung von Kreuzgittern und hexagonalen Gittern durch zwei aufeinanderfolgende Belichtungen mit zwischenzeitlichem Drehen des Substrats um 90° bzw. 60°. Nach Entwicklung des Photoresists entstehen entweder freistehende Photoresistsäulen oder ein kontinuierliches Oberflächenrelief.
Die Beschichtung von linearen Oberflächenreliefgittern unter schrägem Einfall ist für Herstellung von Polarisatoren für das nahe Infrarot bekannt. Durch den Schattenwurf wird nur eine Flanke des Liniengitters beschichtet. Meist wird hierfür die Bedampfungstechnik gewählt; es ist aber auch möglich, speziell optimierte Sputtertechniken einzusetzen. Im Falle des Polarisators entstehen bei Schrägbeschichten mit einem Metall sozusagen selbstjustiert metallische Leiterbahnen. Eine Übertragung dieser Technik zu Herstellung von Mikrosieben ist jedoch nicht naheliegend, da die Schrägbeschichtung von Kreuzgittern oder hexagonalen Gittern zu hohe Justageanforderungen hätte. Die Ausbreitungsrichtung der Beschichtungscluster variiert über die Substratfläche. Der Schattenwurf kann in erster Näherung wie der Schattenwurf einer Punktlichtquelle betrachtet werden. Da jedoch der Abstand zwischen Quelle und Substrat in einer Vakuumapparatur nicht beliebig groß gewählt werden kann, ist eine lokale Änderung der Ausbreitungsrichtung nicht zu vermeiden. Daher eignen sich als selbstjustierende Masken für die Schrägbeschichtung nur Oberflächenreliefs, die wie im Falle des Liniengitters tolerant gegenüber einer Änderung der Ausbreitungsrichtung der Beschichtungscluster sind.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen von Mikrosieben anzugeben, das kostengünstig ist und minimale Lochabmessungen bis zu 0,1 µm ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die Bildung eines Substrats mit einer Reliefstruktur auf einer Oberfläche und Schrägbeschichtung der Reliefstruktur mit dem Siebmaterial wird das Substrat selbst als Maske verwendet, so daß insoweit keine Justierung erforderlich ist ("Selbstjustierung") und daher hiermit verbundene Ungenauigkeiten vermieden werden. Es ist dadurch möglich, auf industriellem Wege Lochabmessungen bis herunter auf 0,1 µm zu erhalten.
Für die Erzielung der gewünschten Siebausbildung ist es zweckmäßig, daß die Reliefstruktur ein zusammenhängendes Netz aus ersten Oberflächenteilen, deren lokale Flächen-normalen-Vektoren mit dem Einheitsvektor der Oberfläche einen kleinen Winkel einschließen, und zwischen den ersten Oberflächenteilen zweite Oberflächenteile, deren lokale Flächennormalenvektoren mit dem Richtungsvektor der Beschichtung einen kleinen Winkel einschließen, aufweist.
Eine besondere Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ergibt sich dann, wenn die Reliefstruktur des Substrats durch Replikation einer Originalstruktur gebildet wird. Dabei wird die Originalstruktur vorzugsweise durch ein photolithografisches Verfahren, insbesondere durch Interferenzlithografie gebildet und durch galvanische Abformung ein Prägestempel hiervon hergestellt. Durch einen anschließenden Prozeß wie Prägen oder Gießen kann die Reliefstruktur auf eine Vielzahl von Substraten kopiert werden. Bevorzugte Materialien, in die das Relief repliziert werden kann, sind Kunststoffe, Sol-Gel-Schichten und Glas.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die Ausbildung einer Reliefstruktur mit kegelstumpfförmigen Erhebungen auf einer Substratoberfläche,
Fig. 2 die Wirkungsweise der Schrägbeschichtung bei der Reliefstruktur nach Fig. 1,
Fig. 3 die Wirkungsweise der Schrägbeschichtung bei einer Reliefstruktur mit kegelstumpfförmigen Vertiefungen,
Fig. 4 die Struktur eines metallischen Mikrosiebes zur Filterung von Infrarotstrahlung, und
Fig. 5 den Prozeßablauf bei der Herstellung eines Mikrosiebes für die Feinfiltration von Flüssigkeiten.
Die Schrägbeschichtung weist eine Vorzugsbeschichtungsrichtung auf. Diese wird im Fall der bekannten Schrägbeschichtung von linearen Strukturen senkrecht zur Richtung der Translationsinvarianz gewählt. Für die Schrägbeschichtung zur Erzeugung von Lochstrukturen gibt es die neue Anforderung, daß der Schattenwurf des erhabenen Teils der Oberflächenstruktur nicht zu einer Unterbrechung der das Loch umgebenden Stegstruktur führt. Dies kann durch verschiedene Ausführungen des Oberflächenreliefs gewährleistet sein:
A) Eine Anordnung von quader-, zylinder- und kegelstumpfförmigen sowie ähnlichen Erhebungen auf einer ebenen oder annähernd ebenen Fläche. Bei dieser Anordnung müssen die Strukturhöhen und die Einfallsrichtung des Beschichtungsmaterials sehr genau aufeinander abgestimmt sein, d. h., diese Anordnung ist justageempfindlich. Änderungen in der Beschichtungsrichtung führen schnell zu einer Änderung der Lochform.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer derartigen Anordnung, bei der die Erhebungen kegelstumpfförmig sind. Fig. 2 gibt schematisch die Schrägbeschichtung dieser Anordnung wieder, aus der die beschichteten Bereiche 1 und die im Schatten der Erhebungen liegenden, nicht beschichteten Bereiche 2 ersichtlich sind.

A) Das Negativ des Oberflächenreliefs aus A): Vertiefungen in einer ebenen oder annähernd ebenen Fläche. Diese Anordnung ist wesentlich vorteilhafter als Anordnung A). Allerdings werden Teile der Wand der Vertiefung mitbeschichtet. Diese Reliefstruktur kann durch Replikation einer Originalstruktur in der Ausbildung der Anordnung A) erhalten werden. Fig. 3 zeigt schematisch die Schrägbeschichtung der Anordnung B).
B) Ein kontinuierliches Oberflächenrelief, das in einer Richtung (x-Richtung) betrachtet abwechselnd stark und schwach moduliert ist und in der dazu senkrechten Richtung (y-Richtung) Stege in kürzeren Abständen aufweist. Bei Schrägbeschichtung in x-Richtung werden die schwach modulierten Bereiche vollständig beschichtet. Die Stege in y-Richtung erzeugen durch Schattenwurf bei der Schrägbeschichtung die Lochstrukturen. Je elongierter die Lochstrukturen sind, desto unempfindlicher ist die Struktur gegenüber Justagefehlern bei der Schrägbeschichtung.
Fig. 4 zeigt in der Draufsicht ein metallisches Mikrosieb zur Filterung von Infrarotstrahlung, das durch Schrägbeschichtung einer derartigen Reliefstruktur erhalten wurde.

Für die drei genannten Ausbildungen A), B) und C) des Oberflächenreliefs gelten die beiden folgenden Bedingungen unter der Annahme, daß sich diese in einer x- y-Ebene erstrecken.

Bedingung 1

Die Struktur muß ein zusammenhängendes Netz an Flächenteilen aufweisen, deren lokale Flächennormalenvektoren n mit dem Einheitssektor z senkrecht zur x-y-Ebene einen kleinen Winkel einschließen: n ≍ z (Beschichtete Bereiche).

Bedingung 2

Die Struktur muß zwischen dem Netz aus Bedingung 1 möglichst große Flächenteile aufweisen, deren lokale Flächennormalenvektoren n mit dem Richtungsvektor der Beschichtung b einen kleinen Winkel einschließen: n ≍ b (Nicht beschichtete bzw. verschattende Bereiche).
Elongierte Strukturen sind besonders günstig, da es dabei besonders große Flächenteile gibt, die Bedingung 2 erfüllen. Außerdem sind geblazte Strukturen besonders günstig, da bei deren steiler Flanke n und b einen besonders kleinen Winkel einschließen, wenn die steile Flanke von der Beschichtungsquelle abgewandt ist.
Die Oberflächenreliefs A)-C) können durch Interferenzlithographie besonders effizient hergestellt werden. Das Relief A) kann unter Benutzung eines Positiv-Photoresists hergestellt werden. Durch einfaches Umkopieren durch galvanische oder andere Replikationsprozesse entsteht die günstigere Struktur B). Eine ähnliche Struktur wie B) z. B in hexagonaler Anordnung kann auch durch Interferenzlithographie mit drei oder mehr einfallenden Wellen hergestellt werden. Elongierte Löcher gemäß Strukturtyp C) können sehr gut durch Doppelbelichtungen mit zwischenzeitlicher Drehung des Probenhalters um 1°-85° hergestellt werden. Bei einem Drehwinkel von 1° ist die Elongation sehr groß, bei einem Drehwinkel von 85° ist die Elongation gering.
Im Folgenden wird die Herstellung von durch Schrägbeschichtung erhaltenen Siebstrukturen für unterschiedliche Anwendungszwecke beschrieben.

1. Herstellung von Filtern für Infrarotstrahlung

Eine geeignetes Oberflächenrelief wird in für Infrarotstrahlung transparentes Polyethylen (PE) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) repliziert und mit einem Metall hoher Leitfähigkeit, z. B. Gold, schrägbeschichtet. Nach der Schrägbeschichtung ist der Filter funktionsfähig. Die Wellenlänge der Peaktransmission wird durch die Lochdimensionen und die Brechzahl des Loches bestimmt, die Polarisationsabhängigkeit von der Lochform. Ein auf diese Weise erhaltener Filter ist in Fig. 4 gezeigt, in der das schrägbeschichtete Oberflächenrelief so abgebildet ist, daß nur das Metallgitter zu sehen ist. Nach der Schrägbeschichtung kann eine IR-transparente Schutzbeschichtung appliziert werden. Dadurch ändert sich die Wellenlänge der Peaktransmission.

2. Mikrosiebe zur Feinfiltration von Flüssigkeiten

Bei der Herstellung von Mikrosieben zur Feinfiltration von Flüssigkeiten müssen Vorkehrungen zur mechanischen Verstärkung der schrägbeschichteten Siebstruktur getroffen werden. Dies erfolgt durch galvanische Verstärkung des Mikrosiebs und durch Aufbringen eines Stützgitters. Das Stützgitter kann entweder direkt auf dem Mikrosieb generiert werden oder separat davon und dann auf das Mikrosieb aufgebracht werden Im ersten Fall ist die Strukturierung des Stützgitters besonders wirtschaftlich durch Druckprozesse realisierbar. Es kann erforderlich sein, das Stützgitter auch galvanisch zu fertigen. In diesem Fall wird die Negativstruktur des Stützgitters gedruckt. In Fig. 5 ist ein beispielhafter Prozeßablauf mit zwei Galvanikschritten dargestellt.
Hierin zeigt a) das mit der Oberflächenstruktur versehene Substrat 3; b) gibt dieses nach der Schrägbeschichtung mit einem Metall 4 wieder; und c) stellt die Anordnung nach der galvanischen Verstärkung des Beschichtungsmaterial mit Nickel 5 dar. In d) ist die Anordnung mit der aus organischem Material bestehenden Negativstruktur 6 des Stützgitters bedruckt, und e) zeigt die Anordnung nach einer weiteren galvanischen Behandlung mit Nickel, bei der das Stützgitter 7 gebildet wurde. In f) ist das fertige Sieb dargestellt, bei dem die organischen Bestandteile, nämlich das Substrat 3 und die Negativstruktur 6 des Stützgitters 7, entfernt wurden.
Alternativ ist es auch möglich, das Stützgitter selbst aufzudrucken.

3. Herstellung von Mikrosieben zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung

Mikrosiebe zur Abschirmung unerwünschter elektromagnetischer Strahlung werden oft auf Glasoberflächen, z. B. Abdeckgläsern von Plasmadisplays, benötigt. Die wesentliche Funktion des Mikrosiebs ist, eine sehr gute DC-Leitfähigkeit bei guter visueller Transmissian zu erreichen. Die zusätzliche Aufgabe, die bei diesem Ausführungsbeispiel gestellt ist, ist die Übertragung des Mikrosiebs auf die Glasplatte. Dies wird durch zwei Varianten gelöst. In der ersten Variante wird die Glasplatte an der Oberfläche so funktionalisiert, daß das metallische Mikrosieb an der Glasoberfläche besser haftet als an dem als Transferfolie dienenden, schrägbeschichteten Substrat. Diese Funktionalisierung kann auch in Form einer Vakuumbeschichtung, eines Lackes oder einer Sol-Gel-Schicht ausgebildet sein. Nach der Übertragung des Mikrosiebs kann dieses beschichtet werden. Diese Variante hat den Vorteil, daß das Mikrosieb weitgehend resistent gegenüber chemischen oder physikalischen Angriffen ist. Die zweite Variante ist die Lamination des schrägbeschichteten Substrats auf der Glasscheibe. Für diese Anwendung sind Materialien mit großer Leitfähigkeit (z. B. Metalle) besonders geeignet.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Mikrosieben, gekennzeichnet durch die Bildung eines Substrats mit einer Reliefstruktur auf einer Oberfläche und Schrägbeschichtung der Reliefstruktur mit dem Siebmaterial.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reliefstruktur ein zusammenhängendes Netz aus ersten Oberflächenteilen, deren lokale Flächennormalenvektoren mit dem Einheitsvektor der Oberfläche einen kleinen Winkel einschließen, und zwischen den erste Oberflächenteilen zweite Oberflächenteile, deren lokale Flächennormalenvektoren mit dem Richtungsvektor der Beschichtung einen kleinen Winkel einschließen, aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reliefstruktur des Substrats zylinder-, kegelstumpf- oder quaderförmige Erhebungen auf einer zumindest angenähert ebenen Fläche aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reliefstruktur des Substrats zylinder-, kegelstumpf- oder quaderförmige Vertiefungen in einer zumindest angenähert ebenen Fläche aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reliefstruktur des Substrats durch Replikation einer Originalstruktur gebildet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reliefstruktur des Substrat oder die Originalstruktur durch ein fotolithografisches Verfahren gebildet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reliefstruktur des Substrats oder die Originalstruktur durch Interferenzlithografie gebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reliefstruktur des Substrats oder die Originalstruktur durch ein interferenzlithografisches Verfahren mit Mehrfachbelichtung unter verschiedenen Winkeln gebildet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines Mikrosiebes für die Strahlenfilterung ein Substrat verwendet wird, das für elektromagnetische Strahlung eines bestimmten Frequenzbereichs transparent ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines Mikrosiebes für die Feinfiltration das schrägbeschichtete Substrat auf der Beschichtungsseite mit einem grobmaschigen Stützgitter versehen und anschließend das Substratmaterial entfernt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das grobmaschige Stützgitter durch selektive galvanische Verstärkung hergestellt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines Mikrosiebes für die Abschirmung elektromagnetischer Strahlung das durch Schrägbeschichtung aufgebrachte Siebmaterial von dem Substrat auf eine Glasoberfläche übertragen wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines Mikrosiebes für die Abschirmes elektromagnetischer Strahlung das mit dem Siebmaterial schräg beschichtete Substrat auf eine Glasoberfläche laminiert wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Siebmaterial ein Metall ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das durch Schrägbeschichtung aufgebrachte Siebmaterial galvanisch verstärkt wird.