DE19753948C2

DE19753948C2 - Verfahren zur Herstellung eines metallischen Mikrostrukturkörpers durch galvanische Abscheidung

Info

Publication number: DE19753948C2
Application number: DE1997153948
Authority: DE
Inventors: Lutz Weber
Original assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Current assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 2001-10-18
Anticipated expiration: 2017-12-06
Also published as: DE19753948A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mindestens eines metallischen Mikrostrukturkörpers als Positivform durch galvanisches Abscheiden.

Es sind Verfahren bekannt, bei denen ausgehend von einem präzisen Mikrostrukturkörper (Positivform) durch Abformung in Kunststoff ein mikrostrukturiertes Formteil (Negativform) erhalten wird, welches anschließend galvanisch abgeformt wird, wobei ein metallisches, mikrostrukturiertes Bauteil (Positivform) erhalten wird.

Der präzise metallische Mikrostrukturkörper (Positivform) wird mit bekannten Verfahren, wie Spritzgießen, Reaktionsgießen oder Heißprägen, in Kunststoff abgeformt. Für die anschließende galvanische Abformung des Formteils aus Kunststoff ist es erforderlich, daß nur der Strukturgrund elektrisch leitend ist. Da bei der galvanischen Abformung, insbesondere von Mikrostrukturkörpern mit Aspektverhältnissen < 2, die Metallabscheidung am Strukturgrund beginnen muß, dürfen die Wände der Strukturen und die Stirnflächen nicht elektrisch leitend sein. Unter dem Aspektverhältnis wird hier das Verhältnis der Strukturhöhe zu den kleinsten charakteristischen Abmessungen verstanden.

In der DE-C1-40 10 669 wird hierzu vorgeschlagen, die metallische Positivform in eine Thermoplast-Schicht, deren Oberfläche einen elektrisch leitenden Film trägt, einzudrücken. Dadurch weist die erhaltene Kunststoff-Negativform an ihrem Strukturgrund eine elektrisch leitende Schicht auf. Eine anschließende galvanische Abformung ist jedoch nur möglich, wenn der Strukturgrund eine zusammenhängende elektrisch leitfähige Fläche bildet.

In der DE-C1-35 37 483 wird vorgeschlagen, daß ein elektrisch leitendes Material auf der Stirnfläche der metallischen Positivform wieder lösbar aufgebracht wird und im Zuge des Abformens auf den der Stirnfläche gegenüberliegenden Strukturgrund des Kunststoff-Formteils übertragen wird. Nach einer zweiten Variante besteht die Abformmasse aus einer elektrisch leitenden und einer nicht leitenden Schicht. Beim Abformen berührt nur die Stirnfläche der metallischen Positivform die elektrisch leitende Abformmasse, während die Wände im Bereich der nicht leitenden Schicht liegen.

Die DE-C1-40 01 399 beschreibt ein Verfahren, bei dem als Abformmasse ein strahlenempfindlicher Kunststoff verwendet wird, der als Schicht auf einem elektrisch leitenden Substrat aufgebracht wird. Nach Abformung wird die zwischen dem Strukturgrund des Kunststofformteils und dem Substrat verbliebene Kunststoffschicht durch Bestrahlung entfernt wird, so daß die Substratoberfläche den Strukturgrund bildet.

Alle bekannten Verfahren weisen jedoch den entscheidenden Nachteil auf, daß ausgehend vom präzisen metallischen Mikrostrukturkörper ein zusätzlicher Schritt der Abformung in Kunststoff erforderlich ist, wobei aufwendige Maßnahmen vorgenommen werden müssen, um den Strukturgrund des Kunststoff-Formteils elektrisch leitend zu machen. Darüberhinaus weist das galvanisch abgeformte Bauteil bedingt durch Schrumpf und Verzug bei der Abformung des Kunststoff-Formteils nicht die Präzision des ursprünglichen metallischen Mikrostrukturkörpers auf.

In der DE-A1-195 24 099 wird ein Verfahren zur Herstellung von Formeinsätzen mit komplexen dreidimensionalen Formen beschrieben. Hierzu wird in Hohlräumen eines elektrisch isolierenden Materials, das auf einem leitfähigen, gestuften Substrat aufgebracht ist, galvanisch Metall abgeschieden. Gemäß einer Ausführungsform wird ein Kupfersubstrat mikrostrukturiert, eine die Mikrostrukturen komplett überdeckende PMMA-Schicht aufgebracht und in diese Schicht mehrere Strukturebenen hineinstrukturiert. Anschließend erfolgt eine Strukturierung mittels Röntgentiefenlithographie. Die laterale Form der abzuformenden Mikrostrukturen wird durch die Belichtung des PMMAs definiert, wobei die Seitenwände der Mikrostrukturen durch die PMMA-Schicht gebildet werden. Eine Verwendung des mikrostrukturierten Metallkörpers als Negativform für eine direkte galvanische Abformung ist danach nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das die oben genannten Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet und eine direkte galvanische Abformung des präzisen metallischen Strukturkörpers ermöglicht, ohne einen Zwischenschritt der Abformung in Kunststoff zu erfordern.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Der präzise erste metallische Mikrostrukturkörper (Negativform) kann mittels bekannter mikrotechnischer Verfahren erhalten werden. So lassen sich metallische Mikrobauteile mit Strukturdimensionen im Mikrometerbereich und Aspektverhältnissen bis etwa 100 aus einer Kombination von Lithographie, Laserablation oder Ätzen und Galvanoformung erhalten. Besonders geeignet ist hierbei das LIGA-Verfahren. Mikrobauteile mit Strukturdimensionen im Millimeter- und Submillimeterbereich und Aspektverhältnissen von etwa 10 lassen sich mit feinmechanischen Verfahren, wie Präzisionsfräsen oder Funkenerosion, erhalten. Mikrobauteile gleicher Strukturdimension, aber mit deutlich größeren Aspektverhältnissen lassen sich modular aufbauen, wobei die einzelnen Module durch Fräsen, Schleifen, Drehen oder Erodieren hergestellt werden.

Im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 2 wird die mikrostrukturierte Oberfläche des ersten metallischen Mikrostrukturkörpers (Negativform) mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet. Hierzu geeignete Beschichtungsverfahren sind beispielsweise Tauchprozesse, bei denen zumindest die mikrostrukturierte Oberfläche der Negativform in ein flüssiges Medium, beispielsweise eine polymerhaltige Lösung, eingetaucht wird. Nach dem Entfernen des Überschusses des flüssigen Mediums, wie etwa durch Abschleudern, und gegebenenfalls einem Verfestigungs- und/oder Trockenschritt verbleibt eine dünne elektrisch nicht leitende Schicht auf der Oberfläche der Negativform. Weiterhin eignen sich Vakuumbeschichtungs prozesse, beispielsweise Sputtern, zum Aufbringen einer elektrisch isolierenden Schicht, wie zum Beispiel aus Siliziumdioxid oder Polytetrafluorethylen.

Kleine Schichtdicken, insbesondere < 1 µm, haben hierbei den Vorteil, daß die Differenzen zwischen den Abmessungen der Mikrostrukturen der später erhaltenen Positivform von denen der Negativform klein sind und bei dem Entwurf der Negativform vernachlässigt werden können.

Im zweiten Verfahrensschritt wird der beschichtete Strukturgrund der Negativform so behandelt, daß ein elektrischer Kontakt zu der metallischen Negativform ermöglicht wird, wobei die elektrisch isolierende Beschichtung der Stirnflächen und Wände der Negativform möglichst vollständig erhalten bleiben soll. Je nach dem für die Beschichtung verwendeten Material eignet sich hierfür elektromagnetische Strahlung oder Teilchenstrahlen. So läßt sich mit Hilfe von Laserablation unter Verwendung eines gerichteten Laserstrahls die Beschichtung gezielt in dem Strukturgrund entfernen. Ebenfalls geeignet sind Ionenätzverfahren. Unter Verwendung einer nur die Bereiche des Strukturgrundes freilassenden Maske, die zwischen der Strahlenquelle und der Oberfläche der Negativform angeordnet ist, kann die auf den Stirnflächen und Wänden befindliche Beschichtung geschützt werden. Handelt es sich bei der Beschichtung um ein strahlungsempfindliches Material, beispielsweise einen Fotolack, so kann durch Belichten mit elektromagnetischer Strahlung geeigneter Wellenlänge unter Verwendung einer die Stirnflächen und Wände der Negativform abdeckenden Maske die Beschichtung in Bereichen des Strukturgrundes gezielt belichtet und in einem anschließenden Entwicklungsschritt entfernt werden.

Anstatt der Verwendung einer die Wände und Stirnflächen schützenden Maske kann die Strukturierung der Isolierschicht im zweiten Verfahrensschritt auch mit Hilfe einer zusätzlichen strukturierbaren Beschichtung erfolgen. Hierzu wird die beschichtete Oberfläche des ersten metallischen Mikrostrukturkörpers (Negativform) mit einem zweiten Material, vorzugsweise einem photostrukturierbaren Material, beschichtet. In einem anschließenden Strukturierungsschritt, beispielsweise einem Belichtungs- und Entwicklungsschritt, wird die zweite Beschichtung in Bereichen des Strukturgrundes entfernt, wodurch die erste Schicht an diesen Stellen freiliegt. Mit Hilfe eines Verfahrens, das selektiv das Material der ersten Schicht, nicht das der zweiten Schicht angreift, werden die freiliegenden Bereiche der ersten Schicht entfernt. Die von der zweiten Schicht bedeckten Bereiche der ersten Schicht, die die Stirnflächen und Wände der Strukturen umfaßen, werden dagegen nicht angegriffen. Abschließend sind alle übrigen Bereiche der zweiten Schicht zu entfernen. Der so erhaltene metallische Mikrostrukturkörper (Negativform) weist auf seiner Oberfläche, bis auf Bereichen des Strukturgrundes, eine elektrisch isolierende Beschichtung (erste Schicht) auf. Von Vorteil der Strukturierung unter Verwendung einer zweiten Beschichtung ist es, daß für die erste Schicht auch Materialien zur Verfügung stehen, die mit einfachen Mitteln nicht strukturierbar sind.

Im letzten Schritt des Verfahrens werden die Strukturen der Negativform galvanisch mit einem oder mehreren Metallen aufgefüllt. Die von der elektrisch isolierenden Beschichtung freigelegten Bereiche des Strukturgrundes der metallischen Negativform dienen hierbei als Startelektrode. Aufgrund der verbliebenen Beschichtung auf den Wänden und Stirnflächen der Strukturen der Negativform beginnt an diesen Stellen keine galvanische Abscheidung. Nach ausreichender galvanischer Abscheidung kann der so erhaltene metallische Körper als Positivform von der metallischen Negativform abgelöst werden. Bei genügender Haftung der Beschichtung auf der Oberfläche der Negativform können die Strukturen der Negativform erneut galvanisch aufgefüllt werden, ohne daß ein erneuter Beschichtungsprozeß erforderlich ist.

Von besonderem Vorteil bei diesem Verfahren ist es, daß ein präziser metallischer Mikrostrukturkörper direkt galvanisch abgeformt werden kann, ohne daß ein Zwischenschritt über die Abformung eines Kunststoffkörpers erfolgen muß. Dadurch kann eine hohe Präzision der metallischen Negativform direkt auf den galvanisch abgeformten Körper übertragen werden. Ein Verlust der Präzision durch Schrumpf oder Verzug bedingt durch einen zusätzlichen Schritt der Abformung in Kunststoff ist damit ausgeschlossen.

Weiterhin von Vorteil ist, daß als Startelektrode der metallische Mikrostrukturkörper selbst dient. Im Gegensatz zu in Bereichen des Strukturgrundes aufgebrachten elektrisch leitenden Beschichtungen, die miteinander in elektrischem Kontakt stehen müssen, können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Strukturen verwendet werden, die nicht in direktem Kontakt stehende Bereiche des Strukturgrundes aufweisen.

Beispielhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen metallischen Mikrostrukturkörper (Negativform),

Fig. 2 die Negativform nach Fig. 1 nach dem Aufbringen einer elektrisch isolierenden Schicht,

Fig. 3 die beschichtete Negativform nach Fig. 2 nach dem Entfernen der elektrisch isolierenden Schicht im Bereich des Strukturgrundes,

Fig. 4 die Negativform nach Fig. 3 mit der durch galvanisches Auffüllen erhaltenen Positivform,

Fig. 5 den galvanisch abgeschiedenen Mikrostrukturkörper (Positivform) nach dem Ablösen von der Negativform.

Ausgehend von dem in Fig. 1 dargestellten metallischen Mikrostrukturkörper 1 (Negativform) wird auf dessen mikrostrukturierte Oberfläche 2 eine elektrisch isolierende Schicht 3 aufgebracht (Fig. 2). Diese Schicht 3 bedeckt die Stirnflächen 4, die Wände 5 sowie den Strukturgrund 6 der Oberfläche 2. Zur Beschichtung wird auf die Oberfläche 2 eine Lösung beispielsweise eines im UV-Bereich empfindlichen Photoresists aufgebracht und der Überschuß durch Abschleudern entfernt.

In einem zweiten Schritt wird die elektrisch leitende Schicht 3 im Bereich des Strukturgrundes 6 wie folgt entfernt: Über den beschichteten Mikrostrukturkörper (Negativform) wird eine Chrommaske und eine UV- Lichtquelle so angebracht, daß bei der Belichtung nur Bereiche des Strukturgrundes 6 der UV-Strahlung ausgesetzt werden. Anschließend wird der Resist entwickelt, wobei die belichteten Bereiche auf dem Strukturgrund 6 freigelegt werden und die Beschichtung 3 auf den Stirnflächen 4 und Wänden 5 erhalten bleibt (Fig. 3).

Die freigelegten Bereiche des Strukturgrundes 6 der Mikrostruktur 1 als Startelektrode verwendend, wird die Oberseite des Mikrostrukturkörpers 1 unter Ausbildung des metallischen Mikrostrukturkörpers 7 (Positivform) mit einem Metall galvanisch aufgefüllt.

Nach einer Bearbeitung, wie Fräsen, Schleifen, Läppen oder Polieren, der geschlossenen Oberseite der abgeschiedenen Positivform 7 wird diese von der Negativform 1 abgelöst. Zur Vereinfachung des Ablösens kann einer der beiden zusammenhängenden Mikrostrukturkörper 1 oder 7 einer raschen Temperaturänderung unterworfen werden. Der zweite Mikrostrukturkörper 7 (Positivform) weist eine zur mikrostrukturierten Oberfläche 2 des ersten Mikrostrukturkörpers 1 (Negativform) komplementär mikrostrukturierte Oberfläche 8 auf.

Zum Aufbringen einer dünnen, stark haftenden Isolierschicht, wie Siliziumdioxid, eignet sich auch das folgende Verfahren: Auf die mikrostrukturierte Oberfläche 2 des metallischen Mikrostrukturkörpers 1 wird eine Schicht 3 aus Siliziumdioxid aufgesputtert, die die Stirnflächen 4, die Wände 5 sowie den Strukturgrund 6 bedeckt (Fig. 2). Anschließend wird eine dünne Schicht eines Photoresists aufgebracht. Mit Hilfe einer UV-Lichtquelle und einer zwischen dem Mikrostrukturkörper 1 und der Lichtquelle angeordneten Maske, wird der Resist ausschließlich in Bereichen des Strukturgrundes 6 belichtet. Die belichteten Stellen des Resists werden in einem anschließenden Entwicklungsschritt entfernt, so daß die Isolierschicht 3 nur im Bereich des Strukturgrundes 6 nicht von einer Resistschicht bedeckt ist. In einem Ätzprozeß, beispielsweise mittels Flußsäure oder einem CHF₃/O₂- Plasma, wird nun unter Erhalt der Resistschicht die Siliziumdioxid-Schicht 3 auf dem Strukturgrund entfernt. Da die Siliziumdioxid-Schicht 3 auf den Stirnflächen 4 und den Wänden 5 weiterhin mit der Resistschicht bedeckt ist, bleibt diese im Ätzprozeß erhalten. Anschließend wird die Resistschicht von den Stirnflächen 4 und den Wänden 5 gelöst, wobei ein Mikrostrukturkörper 1 erhalten wird, der auf den Stirnflächen 4 und Wänden 5 eine Schicht 3 aus Siliziumdioxid aufweist (Fig. 3).

Aufgrund der guten Haftung der Siliziumdioxid-Schicht 3 auf der Oberfläche 4, 5 des Mikrostrukturkörpers 1, kann der Mikrostrukturkörper 1 galvanisch abgeformt und der so erhaltene neue metallische Mikrostrukturkörper 7 (Positivform) abgelöst werden, ohne daß sich die Siliziumdioxid-Schicht 3 vom ersten Mikrostrukturkörper 1 (Negativform) löst. Eine mehrfache galvanische Abformung ohne erneute Beschichtungsprozesse wird hierdurch ermöglicht.

Bezugszeichenliste

1

metallischer Mikrostrukturkörper (Negativform)

2

mikrostrukturierte Oberfläche

3

elektrisch isolierende Schicht

4

Stirnfläche

5

Wand

6

Strukturgrund

7

metallischer Mikrostrukturkörper (Positivform)

8

mikrostrukturierte Oberfläche

Claims

1. Verfahren zur Herstellung mindestens eines metallischen Mikrostrukturkörpers (7) als Positivform durch galvanisches Abscheiden, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen eines ersten metallischen Mikrostrukturkörpers (1) als Negativform, die zu den Strukturen der herzustellenden Positivform komplementär sind, und deren Oberfläche (2) mit Ausnahme von zumindest Teilbereichen des Strukturgrundes (6) mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (3) in einer im Vergleich zu den Abmessungen der Strukturen kleinen Schichtdicke aufweist, galvanisch mit einem oder mehreren Metallen aufgefüllt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung mindestens eines metallischen Mikrostrukturkörpers (7) als Positivform durch galvanisches Abscheiden, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

1. Beschichten der Oberfläche (2) der zu den Strukturen des herzustellenden Mikrostrukturkörpers (7) als Positivform komplementären Strukturen eines ersten metallischen Mikrostrukturkörpers (1) als Negativform mit einem elektrisch isolierenden Material (3) in einer im Vergleich zu den Abmessungen der Strukturen kleinen Schichtdicke,
2. zumindest teilweise Entfernen der elektrisch isolierenden Beschichtung (3) von dem Strukturgrund (6) des ersten Mikrostrukturkörpers (1) als Negativform, so daß ein elektrischer Kontakt zu dem metallischen Material des ersten Mikrostrukturkörpers (1) als Negativform möglich wird,
3. galvanisches Auffüllen der Strukturen des ersten metallischen Mikrostrukturkörpers (1) als Negativform mit einem oder mehreren Metallen unter Erhalt des zweiten metallischen Mikrostrukturkörpers (7) als Positivform.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Beschichten der Oberfläche ein Tauch- oder Vakuumbeschichtungsprozeß verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (3) eine Schichtdicke < 1 µm aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Beschichtung (3) ein photostrukturierbares Material aufweist, und daß die Beschichtung (3) mit Hilfe eines Belichtungs- und Entwicklungsprozesses im Bereich des Strukturgrundes zumindest teilweise entfernt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Entfernen der elektrisch isolierenden Beschichtung (3) elektromagnetische Strahlung oder Teilchenstrahlen verwendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserablations- oder Ionenätzverfahren verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Entfernen der elektrisch isolierenden Beschichtung (3) die Stirnflächen (4) und Wände (5) der galvanisch aufzufüllenden Strukturen mit Hilfe einer sich über den Strukturen des ersten Mikrostrukturkörpers (1) als Negativform befindenden Maske so abgedeckt werden, daß die elektrisch isolierende Beschichtung an den Stirnflächen (4) und Wänden (5) nicht entfernt wird, während die Maske den Strukturgrund (6) zumindest teilweise so freiläßt, daß an diesen Stellen die elektrisch isolierende Beschichtung (3) des Strukturgrundes (6) entfernt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum zumindest teilweise Entfernen der elektrisch isolierenden Beschichtung (3) als erste Schicht von dem Strukturgrund (6) des ersten Mikrostrukturkörpers (1) als Negativform folgende Schritte durchgeführt werden:

1. Aufbringen einer zweiten Schicht eines strukturierbaren Materials auf der Oberfläche des mit der ersten Schicht (3) versehenen Mikrostrukturkörpers (1),
2. zumindest teilweise Entfernen der zweiten Schicht im Bereich des Strukturgrundes des ersten Mikrostrukturkörpers,
3. Entfernen der freiliegenden Bereiche der ersten Schicht mit Hilfe eines Verfahrens, daß nur das Material der ersten Schicht, nicht das der zweiten Schicht angreift,
4. Entfernen der zweiten Schicht von der Oberfläche des Mikrostrukturkörpers unter Erhalt der restlichen Bereiche der ersten Schicht.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht ein photostrukturierbares Material aufweist, und daß die zweite Schicht mit Hilfe eines Belichtungs- und Entwicklungsprozesses im Bereich des Strukturgrundes zumindest teilweise entfernt wird.