DE19709137A1

DE19709137A1 - Verfahren zur Herstellung und Magazinierung mindestens eines metallischen Mikrobauteils

Info

Publication number: DE19709137A1
Application number: DE1997109137
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Prof Dr Ehrfeld; Heinz Dr Lehr; Lutz Dr Weber
Original assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Current assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Priority date: 1997-03-06
Filing date: 1997-03-06
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2017-03-07
Also published as: DE19709137B4; EP0964941A1; JP2001513849A; WO1998039501A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und Magazinierung von mindestens einem metallischen Mikrobauteil.

Aus der DE 35 37 483 C1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl plattenförmiger Mikrostrukturkörper aus Metall bekannt. Ausgehend von einem metallischen Werkzeug mit Mikrostrukturen wird zunächst über eine Trennschicht elektrisch leitendes Material auf die Mikrostrukturen aufgebracht. Anschließend wird zur Herstellung einer Negativform mittels eines Gießharzes das Werkzeug abgeformt, wobei gleichzeitig auch die elektrisch leitende Schicht auf den Stirnflächen der Mikrostrukturen entnommen wird. Bei diesen elektrisch leitenden Schichten besteht die Möglichkeit, diese Negativform galvanisch aufzufüllen. Die Negativform muß zum Schluß entfernt werden, um den plattenförmigen Mikrostrukturkörper aus Metall zu erhalten.

Aus der DE 40 01 399 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung metallischer Mikrostrukturen bekannt, bei dem durch Abformen eines die Mikrostruktur aufweisenden Werkzeugs mit der elektrisch isolierenden Abformmasse auf einer elektrisch leitenden Substratoberfläche Negativformen der Mikrostrukturen erzeugt werden. Bei der Erzeugung der Negativformen aus der Abformmasse wird eine Restschicht der Abformmasse als Böden der Hohlräume der Negativform auf der Substratoberfläche erhalten. Das Bodenmaterial wird durch Strahlung entwickelt und freigelegt, so daß die elektrisch leitende Oberfläche als Galvanikstartschicht für einen nachfolgenden Galvanikvorgang freiliegt.

Die DE 38 42 611 C1 beschreibt ein Verfahren zur Reproduktion eines strukturierten plattenförmigen Körpers, der mittels Ultraschallunterstützung soweit in eine Schicht aus elektrisch isolierender Abformmasse eingedrückt wird, bis die Stirnflächen seiner Strukturen in eine elektrisch leitende Abformmasse hineinragen. Der strukturierte Körper wird anschließend mit Ultraschallunterstützung aus dem Verbundkörper herausgezogen und der Abdruck des Strukturkörpers wird nachfolgend galvanisch mit einem Metall aufgefüllt. Die elektrisch isolierende Abformmasse wird anschließend mit Lösungsmitteln entfernt.

Die DE 39 37 308 C1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung metallischer Mikrostrukturkörper, bei dem auf einer elektrisch leitfähigen Grundplatte mittels Elektronenstrahllithographie Röntgenlithographie oder Mikroabformungen Negativformen der Mikrostrukturen aus Kunststoff erzeugt und die Hohlräume der Negativformen galvanisch unter Verwendung der elektrisch leitfähigen Grundplatte als Elektrode mit Metall aufgefüllt werden.

Sämtliche bekannten Herstellungsverfahren sind aufwendig und führen zu Mikrobauteilen, die anschließend für Lagerung und Transport in weiteren Verfahrensschritten magaziniert werden müssen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem metallische Mikrobauteile auf einfache Weise hergestellt werden können.

Das Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

a Herstellen eines Magazins aus elektrisch nicht leitendem Formstoff, der mindestens ein Mikrobauteil aus einem chemisch lösbaren Material (Mikrobauteil erster Art) an seinen seitlichen Flächen formflüssig umfaßt,
b einseitiges Versehen des Magazins und des Mikrobauteils erster Art mit einer Beschichtung oder mit einem Substrat aus einem elektrisch leitfähigen Material,
c Entfernen des Mikrobauteils erster Art,
d Ausfüllen des leeren Magazins mit einem Metall oder einer Metallegierung zur Herstellung metallischer Mikrobauteile zweiter Art,
e Entfernen der Schicht oder des Substrates.

Das Verfahren gemäß der zweiten Ausführungsform sieht vor, daß das Entfernen des Mikrobauteils erster Art vor dem Aufbringen des Substrates erfolgt, was den Vorteil hat, daß das Herauslösen der Mikrobauteile auf Grund der größeren Angriffsfläche beispielsweise für ein Lösungsmittel schneller erfolgen kann. Je nach Formgestaltung der Mikrobauteile erster Art kann das Entfernen auch durch Herausdrücken erfolgen.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß die Form für die Herstellung der metallischen Mikrobauteile (Mikrobauteile zweiter Art) gleichzeitig auch das Magazin für Transport und Lagerung der Mikrobauteile bildet. Für diese Mikrobauteile erster Art können Massenfertigungsverfahren wie beispielsweise das Spritzgießen eingesetzt werden.

Die Herstellung des Magazins mit den Mikrobauteilen erster Art kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform durch folgende Verfahrensschritte erfolgen:

a1 Formgebung mindestens eines Mikrobauteils erster Art auf einer Bauteilgrundplatte
a2 Eingießen mindestens der freiliegenden seitlichen Flächen des Mikrobauteils erster Art mittels des Formstoffs
a3 Entfernen der Bauteilgrundplatte und/oder des das Mikrobauteil erster Art überdeckenden Formstoffes.

Vorzugsweise wird das Mikrobauteil erster Art und die Bauteilgrundplatte gleichzeitig aus demselben Material hergestellt. Es ist zwar auch möglich, die Mikrobauteile auf einer separat hergestellten Bauteilgrundplatte aufzubringen, jedoch werden hierzu zusätzliche Verfahrensschritte benötigt. Neben dem Spritzgießverfahren können auch Reaktionsgießverfahren oder Heißprägeverfähren verwendet werden.

Die Bauteilgrundplatte und/oder der überdeckende Formstoff werden vorzugsweise durch Schleifen Läppen, Fräsen oder Polieren entfernt.

Um die Handhabung des Magazins zu erleichtern, wird das Magazin vorzugsweise mit einer Außenkontur entsprechend der einer CD oder einer 5''- Silizium-Scheibe hergestellt. Es besteht dadurch die Möglichkeit, herkömmliche, aus der Chipfertigung bekannte Greifeinrichtungen einsetzen zu können.

Als elektrisch nicht leitender Formstoff wird vorzugsweise Kunststoff, insbesondere Epoxidharz verwendet. Der Formstoff darf von dem Lösungsmittel zum Herauslösen der Mikrobauteile erster Art nicht angegriffen werden.

Als lösbares Material für die Herstellung der Mikrobauteile erster Art wird beispielsweise unvernetztes PMMA oder Phenol-Formaldehyd-Harz verwendet. Diese Materialien lassen sich durch organische Lösungsmittel wie Chloroform oder verdünnte Laugen aus dem Magazin herauslösen.

Für die Beschichtung aus einem leitfähigen Material wird bevorzugt Nickel oder Kupfer verwendet. Die Beschichtung kann durch ein Vakuumbeschichtungsverfahren wie z. B. Sputtern aufgebracht werden. Je nach Größe der herzustellenden metallischen Mikrobauteile kann es von Vorteil sein, die Beschichtung zusätzlich zu Verstärken. Dies kann durch eine auf die Beschichtung galvanisch aufgebrachte weitere Schicht erfolgen. Hierzu wird vorzugsweise Nickel oder Kupfer verwendet.

Für das Substrat sind Kupfer, Titan, Edelstahl oder elektrisch leitender Kunststoff geeignet.

Das Ausfüllen des leeren Magazins erfolgt vorzugsweise durch galvanische Abscheidung.

Das Abtrennen des Substrates erfolgt durch mechanischen oder thermischen Schock. Unter einem mechanischen Schock versteht man einen Schlag oder physikalisch ausgedrückt eine ruck- oder schlagartige Änderung des Bewegungszustandes. Der thermische Schock ist eine schlagartige Änderung der Temperatur des Gegenstandes, z. B. wenn der Gegenstand, der sich auf Raumtemperatur befindet, in flüssigen Stickstoff gelegt wird.

Eine weitere Alternative ist das Aufbringen einer elektrisch leitfähigen Trennschicht, vorzugsweise Kohlenstoff, zwischen dem Magazin und dem leitfähigen Substrat. In diesem Falle kann das Substrat mechanisch entfernt werden, beispielsweise durch Abziehen oder Abdrehen. Noch vorhandene Reste können mechanisch entfernt werden. Falls eine Beschichtung auf dem Magazin vorgesehen ist, so wird diese mechanisch abgetragen.

Das Magazin mit den eingebetteten metallischen Mikrobauteilen kann zusätzlich an der Ober- und/oder der Unterseite einer Oberflächenbearbeitung unterzogen werden. Diese kann durch Fräsen, Schleifen, Läppen oder Polieren erfolgen.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die Mikrobauteile aus einem chemisch lösbaren Formstoff unter Beibehaltung von Kontur und Position im Magazin durch Mikrobauteile aus Metall ersetzt werden. Die Außenform des Magazins wird dabei nicht verändert, so daß die so gewonnenen Mikrobauteile in gleicher Art und Weise gehandhabt transportiert und weiterverarbeitet werden können.

Beispielhafte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Gießhalterung mit Bauteilgrundplatte und Mikrobauteilen erster Art im Vertikalschnitt,

Fig. 2a ein Magazin mit einer Beschichtung im Querschnitt,

Fig. 2b ein Magazin mit einem Substrat im Querschnitt,

Fig. 3a das in Fig. 2a gezeigte Magazin nach dem Herauslösen der Mikrobauteile erster Art,

Fig. 3b ein Magazin mit metallischen Mikrobauteilen im Querschnitt.

In der Fig. 1 wird das Eingießen der Mikrobauteile erster Art 1 dargestellt. Bei den Mikrobauteilen 1 handelt es sich um Mikrozahnräder mit Oberseite 3a, Unterseite 3b seitlicher Fläche oder Mantelfläche 3c und einer Mittelbohrung 3d. Diese Mikrozahnräder 2 befinden sich auf einer Bauteilgrundplatte 4. In der hier gezeigten Darstellung wurden die Mikrobauteile 1 und die Bauteilgrundplatte 4 gemeinsam aus demselben Material hergestellt.

Die Bauteilgrundplatte 4 mit den Mikrobauteilen 1 befindet sich in einer Gießhalterung 5, in die von oben ein Formstoff 6 eingefüllt wird, der die Mikrobauteile 1 umschließt. Der Formstoff 6 kann, wie in der Figur gezeigt wird, in einer solchen Menge eingegossen werden, daß ein Überstand Ü über den Mikrobauteilen aufgebaut wird.

Nach dem Aushärten des Formstoffs 6 wird die Bauteilgrundplatte 4 mit den Mikrobauteilen 1 und dem Formstoff 6 aus der Gießhalterung 5 entnommen. Anschließend wird der Überstand Ü sowie die Bauteilgrundplatte 4 beispielsweise durch mechanische Bearbeitung entfernt. Man erhält eine scheibenförmige Platte, die das Magazin 12 bildet (s. Fig. 2a). Die Mikrobauteile 1 erster Art werden an ihrer seitlichen Fläche 3c vom verfestigten Formstoff 6 gehalten. Die Mittelbohrung 3d ist ebenfalls von dem Formstoff 6 ausgefüllt. Für die weitere Bearbeitung wird auf der Unterseite des Magazins 12 eine elektrisch leitende metallische Beschichtung 7 aufgebracht.

In der Fig. 2b ist anstatt der metallischen Beschichtung 7 ein metallisches Substrat 9 mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers 8 aufgebracht.

Anschließend werden die Mikrobauteile 1 erster Art aus dem Magazin 12 herausgelöst, und man erhält anschließend - wenn von dem Magazin gemäß der Fig. 2a ausgegangen wird - das in der Fig. 3a dargestellte leere Magazin 12.

Wenn gemäß der anderen Verfahrensvariante vorgegangen wird, erfolgt zunächst das Entfernen der Mikrobauteile erster Art und dann das Aufbringen des metallischen Substrates 9.

In einem weiteren Verfahrensschritt werden die Lücken im Magazin 12 durch Metall aufgefüllt, was durch galvanische Abscheidung erfolgen kann, wozu die metallische Beschichtung 7 bzw. das metallische Substrat 9 als Elektrode eingesetzt wird.

In der Fig. 3b ist das Magazin 12 mit den metallischen Mikrobauteilen 10 (Mikrobauteilen zweiter Art) nach dem Abtragen der metallischen Beschichtung 7 dargestellt. Die metallischen Mikrobauteile 10 sind aufgrund der durch das Magazin vorgegebenen Form Mikrozahnräder 11.

Bezugszeichenliste

1

Mikrobauteil erster Art

2

Mikrozahnrad erster Art

3

a obere Stirnseite

3

b untere Stirnseite

3

c seitliche Fläche

3

d Mittelbohrung

4

Bauteilgrundplatte

5

Gießhalterung

6

Formstoff

7

Beschichtung

8

Klebstoff

9

Substrat

10

Mikrobauteil zweiter Art

11

Mikrozahnrad zweiter Art

12

Magazin

Claims

1. Verfahren zur Herstellung und Magazinierung mindestens eines metallischen Mikrobauteils, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a Herstellen eines Magazins aus elektrisch nicht leitendem Formstoff der mindestens ein Mikrobauteil aus einem chemisch lösbaren Material (Mikrobauteil erster Art) an seinen seitlichen Flächen formschlüssig umfaßt,
b einseitiges Versehen des Magazins und des Mikrobauteils erster Art mit einer Beschichtung oder mit einem Substrat aus einem elektrisch leitfähigen Material,
c Entfernen des Mikrobauteils erster Art,
d Ausfüllen des leeren Magazins mit einem Metall oder einer Metallegierung zur Herstellung metallischer Mikrobauteile (Mikrobauteile zweiter Art),
e Entfernen der Schicht oder des Substrates.

2. Verfahren zur Herstellung und Magazinierung mindestens eines metallischen Mikrobauteils gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a Herstellen eines Magazins aus elektrisch nicht leitendem Formstoff, der mindestens ein Mikrobauteil aus einem chemisch lösbaren Material (Mikrobauteil erster Art) an seinen seitlichen Flächen formschlüssig umfaßt,
b Entfernen des Mikrobauteils erster Art,
c einseitiges Versehen des Magazins mit einem Substrat aus einem elektrisch leitfähigen Material,
d Ausfüllen des leeren Magazins mit einem Metall oder einer Metallegierung zur Herstellung metallischer Mikrobauteile (Mikrobauteile zweiter Art),
e Entfernen der Schicht oder des Substrates.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magazin und das Mikrobauteil erster Art durch folgende Verfahrensschritte hergestellt werden:

a1 Formgebung mindestens eines Mikrobauteils erster Art auf einer Bauteilgrundplatte,
a2 Eingießen mindestens der freiliegenden seitlichen Flächen des Mikrobauteils erster Art mittels des Formstoffes,
a3 Entfernen der Bauteilgrundplatte und/oder des das Mikrobauteil erster Art überdeckenden Formstoffes.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Formstoff ein Kunststoff, vorzugsweise Epoxidharz, verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als chemisch lösbares Material unvernetztes PMMA oder Phenol- Formaldehyd-Harz verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Beschichtung Nickel oder Kupfer aufgebracht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch ein Vakuumbeschichtungsverfahren aufgebracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch Sputtern aufgebracht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mit einer weiteren galvanisch aufgebrachten Schicht verstärkt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Nickel oder Kupfer galvanisch aufgebracht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche t bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausfüllen des leeren Magazins durch galvanische Metallabscheidung erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat durch mechanischen oder thermischen Schock abgelöst wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober- und/oder die Unterseite des Magazins mit den Mikrobauteilen zweiter Art einer Oberflächenbearbeitung unterzogen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet ,daß die Oberflächenbearbeitung durch Fräsen, Schleifen, Läppen oder Polieren erfolgt.