DE2259182A1

DE2259182A1 - Verfahren zum herstellen einer matrix zur verwendung in der galvanoformung

Info

Publication number: DE2259182A1
Application number: DE2259182A
Authority: DE
Inventors: Dan Jacobus
Original assignee: Buckbee Mears Co
Current assignee: Buckbee Mears Co
Priority date: 1972-01-27
Filing date: 1972-12-02
Publication date: 1973-08-09
Also published as: GB1397814A; IT972718B; CA981506A; US3764485A; NL7215264A; FR2169033B1; BE790596A; JPS4886742A; FR2169033A1

Description

© Int. Cl.:

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

C 23 b, 7/00

DEUTSCHES

PATENTAMT Deutsche Kl.: 48 a, 7/00

Offenlegungsschrift 2259182

Aktenzeichen: P 22 59 182.8 Anmeldetag: 2. Dezember 1972 Offenlegungstag: 9. August 1973

Ausstellungspriorität: —

Unionspriorität
Datum:
Land:
Aktenzeichen:

27.Januar 1972 V. St. v. Amerika 221388

Bezeichnung:

Verfahren zum Herstellen einer Matrix zur Verwendung in der Galvanoformung

Zusatz zu:
Ausscheidung aus:
Anmelder:

Buckbee-Mears Co., St. Paul, Minn. (V. St. A.)

Vertreter gem. § 16PatG: Weintraud, E., Dipl.-Ing., Patentanwalt, 6000 Frankfurt Als Erfinder benannt: Jacobus, Dan, New Brighton, Minn. (V. St. A.)

O 7. 73 309 832/829

Patentanwalt Dipl.-Ing. Erich Weintraud

Prankfurt 1, Mainzer Landstr. 128-146, Postfach 4432

Anm.: Buckbee-Mears Company, St. Paul /Minnesota USA

Verfahren zum Herstellen einer Matrix aiur Verwendung in der Galvanoformung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Miniaturteilen durch Galvanoformung. Es wird hierbei eine Matrix in ein passendes galvanisches Bad gegeben, das eine Kathode oder Anode aufweist. Die Matrix be» sitzt eine Sockel- v.der Basisplatte aus Metall, die ein Muster freiliegender oder exponierter Bereiche aufweist, welche durch eine aus nichtleitendem Material bestehende Abdeckschicht bestimmt sind. Ein geeigneter, gewöhnlich metallischer Werkstoff wird auf die exponierten Bereiche durch Elektrolyse aufgetragen und später wird die Schicht des aufgetragenen Materials von der Matrix abgestreift, worauf die Matrix dann für das nächste Stück wiederverwendet werden kann. Ein au/ diesem Wege geschaffenes wichtiges Erzeugnis stellt ein feinmaschiges Metallgitter dar, da» annähernd 2oo Linien pro cm besitzt.

BAD ORIGINAL

3098 32/08 29 -2-

Im allgemeinen wird/lie Form des zu erstellenden Artikels auf der Matrixbaaisplatte durch eine !Schicht aus nicht leitendem Material festgelegt, das auf einer Oberfläche der Basisplatte in einer ein Muster aus freiliegenden und geschützten Flächen bildenden Anordnung gegeben wird, 80 daß das Material nur an den freiliegenden Stellen galvanisch aufgetragen wird. Obgleich dieses Muster auf der Oberfläche der Basisplatte auf verschiedene Art und Weise bestimmt oder festgelegt sein kann, wird jedoch am häufigsten in der Praxis ein lichtempfindliches Fnotoresist hierfür verwendet. Im allgemeinen wird die Matrix präpariert, indem zuerct ein Sockelblech mit einem geeigneten Photoresist überzogen und dann von einer Lichtquelle durch eine das gewünschte Muster enthaltende Maske hindurch bestrahlt wird. Auf diese Weise wird das Muster auf die Photoresistschicht in Form von vernetzten und nicht vernetzten Stellen übertragen. ü)s wird dann ein Druck dieses Musters entwickelt, indem entweder die vernetzten oder nicht vernetzten Bereiche des Resists durch eine geeignete iSntwicklerflüssigkeit weggewaschen werden. Die so entwickelten Flächen bilden dann die freiliegenden Abschnitte der Sockel- oder Basisplatte, obgleich die auf diese Weise erstellten Matrizen schon seit einigen Jahren erfolgreich verwendet wurden, weisen sie dennoch eine Anzahl von Nachteilen auf.

Ein Nachteil besteht weiterhin in der begrenzten Dicke der Teile, die unter Verwendung derartiger Matrizes rad ORIGINAL

309832/0829

hergestellt werden können. Dies rührt daher, daß die Dicke der Fhotoresistschicht in Grenzen gehalten werden muß, um den hohen Grad an Definition oder Genauigkeit in der Linientrennunfr zu erhalten, die bei der Präzi-Bionsherstellung von Miniaturteilen nach dem Galvanoformungsverfahren so v/ich tip ist. Darüber hinaus kann die Lichtdurchlässigkeit durch das Gitter für bestimmte... Teile, z.B. feinmaschige Gitter, kritisch liegen.

Ein weiterer Nachteil bei Matrizes ergibt eich aus ihrer begrenzten Wiederverwendungsfähigkeit, d.h. der Anzahl der einzelnen Anwendungen vor ihrer Wiederaufbereitung. Jedes Mal, wenn ein Teil auf der Matrix galvanisch behandelt wird, wird es abgestreift oder als Schicht"abgelöst. Es hat sich hierbei in der Praxis herausgestellt, daß dies nur einige wenige Male vorgenommen werden kann, bevor die Matrix so weit beschädigt worden ißt - normalerweise auf der Photoresistschicht -, daß sie nicht länger verwendet werden kann, sie muß dann gereinigt und wiederaufbereitet werden, um eine neue Matrix zu ergeben. Natürlich erfordert dies ein Mehr an Kosten und Zeit.

Ein weiterer Nachteil bei der Herstellung von sehr dünnen Teilen liegt in der Haftung des galvanisch behandelten Materials mit der Basisplatte, wodurch ein Abschälen oder Abstreifen des Teiles van der Matrix nur schwer durchgeführt werden kann, ohne das Teil oder die Matrix zu be-* schädigen.

309832/0828

Der Erfindung liept die aufgäbe zugrunde, daa Herstellungsverfahren zu verbessern, eo daß die Fehler der bekannten Werkzeuge vermieden werden. Diese Aufgabe wird

/III., ·-

dadurch gelöst, daß eine Metallbaeisplatte mit einer doppelten Schioht einer Deckaaese überzogen und ein entsprechendes Muster auf die Deckmassenschicht gedruckt und heraueentwickelt wird, um so eine als Muster angeordnete Gruppierung von freiliegenden und geschützten Flächen auf der Basisplatte zu ergeben. Die Baeieplatte mit dem als Muster ausgebildeten Photoresist wird in einer Umgebung erwärmt, in der sich eine Oxidschicht auf der Basisplatte herausbildet, so daß das galvanisch behandelte produkt leicht von der Basisplatte abgezogen oder abgestreift werden kaiin. Die auf diese Telse erstellte Matrix weist demnach nicht nur eine dickere Fhotoresistschicht gegenüber dem herkömmlichen Erzeugnis auf, so daß die artikel mit dickeren galvanischen überzügen versehen werden kennen, sondern es ist auch die Möglichkeit gegeben, daß die Maske über das bisherige Haß hinaus weit öfter verwendet werden kann und dennoch Teil· herausbildet, die den gleichen oder einen besseren Prä» zisionsgrad aufweisen, als bisher zu erreichen war. Bei der Anwendung des erfindungsgemahlen Verfahrene let es also genau so leicht, wenn nicht leichter, das Teil von der Matrix abzulösen oder abzustreifen, so daß keine ■»- sätzlichen Herstellungskosten erwachsen.

BAD ORIGINAL

309832/0829

Die Erfindung wird beschrieben, wie sie zur Herstellung .eines sehr feinen Nickelgitters Anwendung findet, wobei das Gitter z.B. annähernd 2oo Linien pro cm, eine Dicke von 8 Mikrometer und .eine Außenabmessung von ca. 2o mal 2o cm aufweist«

Die entsprechende Außenabmessungen aufweisende Basisplatte aus mit Nickel beschichtetem Kupfer wird gründlich gesäubert und getrocknet und dann mit zwei Schicht ten einer Photodeckmasse versehen, In der Praxis hat Kupfer eine weite Verbreitung gefunden, weil es ein guter elektrischer Leiter, leicht erhältlich und selbsttragend ist sowie mit dem Nickel oder dem galvanischen Bad keine schädlichen Reaktionen eingeht. Es können auch andere Werkstoffe hierfür verwendet werden. Is diesem Ausführungsbeispiel wird das Nickelerzeugnis effektiv auf eine Nickelschicht galvanisch aufgetragen. Die Art der Reinigung und des Präparierens der Basisplatte stellt keinen Teil der Erfindung dar. Sie kann auf die unterschiedlichste Weise vorgenommen werden und iet dem Fachmann geläufig« Gleichermaßen steht es dem Fachmann offen, was für ein Verfahren sum Auftragen der beiden Photoresistschichten er verwendet, wobei die Beschaffenheit des auf die Basisplatte aufzutragenden Photoresists natürlich die Art Und V/eis· der Behandlung bestimmt, die dem Fachmann ebenfalls geläufig ist und gegebenenfalls von den Herstellern beschrieben werden kann«

BAD

309 832/0829

Im Auaführungsbeispiel wird die Basisplatte vertikal in einen verdünntes Eastman-Kodak-KTFR-Photoresist enthaltenden Behälter hineingetaucht, wobei dieses Photoresist (ein teilweise zyklisiertes Polymer auf Cis-Polyisoprenbaeia) mit einem geeigneten Lösungsmittel verdünnt und nach Maßgabe abgezogen werden kann, um einen überzug von gewünschter Dicke zu ergeben, sowie in einem mit Infrarotstrahlen betriebenen Ofen bei Temperaturen getrocknet wird, die den LÖsungsmittelrückstand vertreiben, ohne zur Mischpolymerisierung zu führen. Nach dem Abkühlen wird die beschichtete Baeisplatte dann in einen Behälter mit Eastman Kodak KPR Photoresist (Polymer auf Polyvinyl-Cinnamatbasis) getaucht und nach Maßgabe entnommen, so daß sich eine zweite Schicht von gewünschter Dicke bildet, worauf sie dann in einem Infrarotöfen bei einer Temperatur und während einer Zeitspanne getrocknet wird, ao daß ein zweiter Überzug ohne Querverbindung entsteht. Das sich ergebende Dickeverhältnis der KTFR-Schicht gegenüber der KPR-Schicht kann wie in diesem Aueführungsbeispiel bei drei zu eins liegen. Nach dem Abkühlen wird die beschichtete Basisplatte durch eine zum Drucken auf die Beschichtung ein Muster von 2oo Linien pro cm enthaltende Maske hindurch von einer Strahlungequelle belichtet. Das Photodruckverfahren fällt hierbei nicht in den Rahmen der Erfindung, sondern entspricht dem Stand der Technik. Die Lichtquelle und die Belichtungszeiten können nach Belieben vom Fachmann bestimmt werden. Gleichermaßen ist die Entwicklung des

-7-309832/0829 bad original

gedruckten Musters oder Abbilds_f der Entwickler sowie die hierfür angewandten Techniken kein Bestandteil der Erfindung. Auf jeden. Fall muß beim Entwickeln die gedruckte Basisplatte einer geeigneten jSntwicklerflüssigkeit ausgesetzt und danach des öfteren gespült werden, um das Reeist von bestimmten Stellen zu entfernen und dadurch diese Stellen der Basisplatte freizulegen. Hiernach "kommt die Matrix, für gewöhnlich bei Zimmertemperatur langsam zum Erkalten. Bis zu diesem Punkt hat sich dann eine Matrix gebildet, die eine Basisplatte mit in Muster angeordneten Gruppierungen des Photoresists aufweist, BO daß die Basisplatte freigelegte und geschützte oder bedeckte stellen besitzt.

Daraufhin wird die Matrix gebrannt, um Restbestände der Lösungsmittel auszutreiben, die nach dem Entwickeln noch verblieben sind, urad die Resistschicht auszuhärten. In dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wurde die Matrix während einer geeigneten Zeitspanne in einem Konvektionsofen mit trockener Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 8o° C bis 12o° O gebrannt. Nach diesem er-0ten Brennvorgang wj.rd die Matrix abgekühlt und dann in ein geeignetes galvanisches Bad gegeben, das eine verwendbare Anode aufweist, um eine Nickelschicht auf die Ungeschützten Bereiche der Basisplatte galvanisch aufzutragen. Hierbei entspricht die Zusammensetzung des Bades, die Art der Anode und die Steuerung des galvanischen ι Verfahrene zur Erstellung einer Schicht von gleichförmiger

309832/0829

den Stand der Technik und kann nach Maßgabe des verwendeten materials sowie weiterer Faktoren den Jeweiligen Umständen entsprechend ausgewählt «erden. Das Ausfiihrungsbeispiel wurde in einem "Watte"-Nickelbad während einer Zeitspanne von 15 Minuten bei einer Strom. stärke von annähernd 2V2 Anpdre galvanisch behandelt. Nachdem die Matrix dem Bad entnommen wurde, wurde sie gespült und getrocknet, -.vorauf dann die galvanisch aufgetragene Nickelschicht von der Matrix abgestreift und für gewöhnlich ausrangiert wurde. Diese erste Zwischenstufe der galvanischen Behandlung dient dazu, etwaige Schlacken· öder Freadkörperanteile oder dgl. zu entfernen, die sioh bis zu diesem Zeitpunkt gegebenenfalls auf der Matrix haben halten können.

Nach dem Ablösen der ersten galvanischen Zwischenschicht wird die Matrix nochmals in einem Konvektionsofen mit. trockener Atmosphäre bei einer Temperatur von ca. 80 C bis 14o° C 1o bis 15 Minuten lang gebrannt. Dies dient hauptsächlich dem Zweck, eine Oxidschicht auf der freiliegenden MetallbaDi0 zu bilden, um später das Ablösen beim fertiggestellten Erzeugnis zu erleichtern. Es hat sich herausgestellt, da3 die höheren Temperaturen eich bestens für die Oxidbildung eignen, wobei Jedoch gleichzeitig die Gefahr besteht, da2 es xu Verserrungen der zum Muster ausgebildeten Deckmasse kommen kann. Wenn des Aussehen dee Fertigprodukte kritisch int, sollten niedere Temperaturen verwendet werden; sollte jedoch die Leichtigkeit

309832/0829 bad original

der Freigabe des Fertigprodukts vorrangig sein» können die höheren Temperaturen zur Anwendung kommen. Das Material der beschichtenden Fläche kann für den zu wählenden Temperaturbereich von Bedeutung sein. Obgleich für diesen Verfahrensschritt Temperaturen von nur 8o° G verwendet werden können, hat sich herausgestellt, daß die niedere zu wählende Temperatur vorzugsweise bei annähernd 1oo° C liegen sollte. Die Brennzeitdauer richtet sich im allgemeinen nach der Dicke und Zusammensetzung des MetallSubstrats oder -basisstoffes, der gleichförmig erhitzt werden sollte, und zwar sollte mit der Dicke der Basis die Brenndauer zeitlich zunehmen. Interessanterweise hat sich gezeigt, daß trotz einer Fluß- oder Schmelztemperatur des in diesem Ausführurigsbeispiel verwendeten Ptiotoresistmaterials von annähernd 12o° C die nach der beschriebenen Art behandelte Matrix einer Brenntemperatur unbeschadet ausgesetzt werden kann, die über dem Schmelzpunkt liegt.

Nach dem Abkühlen steht die Matrix nun für die Produktion bereit. Die Matrix wird in das galvanische Bad unter geeigneten Kontrollbedingungen und elektrischen Anschlüssen eingetaucht und ein feinmaschiges Gitter mit einem galvanischen Überzug versehen. Nachdem jede« Teil fertig gestellt und abgestreift wurde, wird die Matrix bei einer im Bereich von ca. 15o° C bis 165° C liegenden Temperatur 1o bis 15 Minuten lang gebrannt. Hiermit wird der Zweck verfolgt, eine haltbarere Nickeloxidschicht auf der

-1ο- o_An ORIGINAL 309832/0829 ^{BAD U}

- 1o -

Basisplatte zu entwickeln, wodurch das Lösen des Erzeugnisses von der Matrix erleichtert wird.

Eine auf diese Art behandelte Matrix wurde dazu verwen-, det, ein feinmaschiges Nickelgitter mit 2oo Linien pro cm und einer Oicke von annähernd B Mikroneter zu schaffen. Dies wurde dadurch erreicht, daß die Matrix in ein geeignetes Bad gegeben und aijiäherad 8 Minuten lang bei 2V2 Ampöre galvanisch mit Nickel behandelt wurde. Nach der Fertigstellung und dem Abstreifen jedes Stückes wurde die Matrix bei einer Temperatur von ungefähr 16o C gebrannt. ;Cs wurden auf diese Art 5>o oder mehr Stücke aus einer Matrix hergestellt, bevor das Photoresist in der Qualität nachließ, so daß sie ausgeschieden werden mußte. Die Inaugenscheinnahme des von dieser Matrix gefertigten feinmaschigen Gitters und ein Vergleich mit Gittern, die die gleiche Liniendichte aufwiesen, jedoch mit einer Maske nach den bekannten Techniken erstellt wurden, ergaben, daß die Lichtdurchlässigkeit dee ereteren bei 65 % gegenüber den letzteren bei 6o '/» lag. Dies zeigt, daß bei einem feinmaschigen Gitter, das galvanisch auf einer Matrix nach der Erfindung erstellt wurde, ein gleicher Kr tr ag an Lichtdurchliissigkeit wie bisher erzielt wurde, daß aber das neue Gitter dicker und somit auch wesentlich haltbarer ist.

Im Ausführungsbeispiel eines alternativen Verfahrene hat sich gezeigt, daß eine gesättigte Lösung aus Kaliumper-

3 0 9 8 3 2/0829 _BAD original"¹¹"

manganat im Wasser als Entschlackungsmittel arbeitet und die Deckmasse auf der Matrix nipht in Mitleidenschaft zieht. Dadurch wird möglich, daß Resist einer höheren Temperatur von annähernd 14o° C ohne Zwischenschaltung der Brenn- und Abstreifstufen auszusetzen. Die Matrix wird also mit dem Permanganat nach der Entwicklungsstufe behandelt. Wenn das Abbild vollständig trocken ist, wird die Matrix für Augenblicke drei Mal in die Permanganatlosung getaucht, danach gründlich mit de— ionisiertem Wasser gespült und 15 Minuten lang sum Trocknen ausgesetzt. Hiernach wird die Matrix zur Aushärtung gebracht oder gebrannt, und zwar in einem Konvektionsofen bei einer Temperatur von annähernd 14o° C für die Dauer von ca. 15 Minuten. Auch hier kann der Temperaturbereich bis auf 8o° C herabreichen und die Brenndauer naqh Wahl bei 1p bis 15 Minutes liegen, ^e nachdem, was für Kriterien vom Fachmann ala vorrangig betrachtet werden. Wiederum wird nach der Hersteilung und dem Abstreifen jedes Stückes die Matrix bei einer zwischen 15o° Q und 165° C liegenden Temperatur Ίο bis 15 Minuten lang gebrannt.

' BAD Q -12-

309832/0829

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Herstellen einer Matrix zur Verwendung in der Gralvanostegie oder Galvanoformung, gekennzeichnet durch eine Basis- oder ßockelplatte aus Metall, einem Photoresist, photographi3ches Drucken und Entwickeln eines Musters, Erstellen eines Mustere von freiliegenden und bedeckten Flächen auf der Basisplatte, die mit dem als Muster ausgelegten Photoresist bei einer Temperatur zwischen 8o° C und 14o° σ gebrannt wird, und dadurch, daß auf die Metallbasisplatte zwei Photorasistschichten gegeben werden, von denen die eine eine Schicht auB teilweise zykliertem Polymer auf Cie-Polyieoprenbaeie und die andere eine Schicht aüa Polymer auf Polyvinyl-Cinnamatbaeis ißt, und daß das photographiiche Brücken und entwickeln eines Mustere auf beiden Photoresi»techichten durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenneelohnet, daß die mit einem Phfttoreaiatmueter ausgebildete Basleplatte zunächst bei einer zwischen 8o° C bie 12o° C liegenden Temperatur gebrannt wird} so daß dae Phot.reeist auehärtet

-15-309832/0829 BAD ORIGINAL

und unerwünschte vom Entwickeln verbliebene Restbestände ausgetrieben werden, daß nach dem Abkühlen ein dünner
Metallüberzug galvanisch aufgetragen und dann das plattierte Metall abgestreift und ausgeschieden wird, worauf . sie bei einer wiederum zwischen 8o° G und 14o° C liegenden Temperatur gebrannt wird, so daß sich auf den freiliegenden Stellen der Basisplatte eine Oxidschicht bildet,

3· "Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix, nachdem jedes Stück auf der Matrix galvanisch geformt und von ihr abgelöst oder abgestreift wurde, .fär eine Zeitspanne von 1o bis 15 Minuten bei einer Temperatur zwischen I50⁰ C und 165° C gebrannt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisplatte mit Photoresistmuster mit einer gesättigten Lösung aus Kaliumpermanganat in Wasser vor dem Brennvorgang gereinigt wird,

5. Verfahren nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix gebrannt wird, nachdem jedes Stück auf der Matrix galvanisch geformt und von ihr abgelöst wurde.

6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix bei einer zwischen 15o° G und 165° 0 liegenden Temperatur 1o bis 15 Minuten lang gebrannt wird, nachdem jedes Stück galvanisch geformt und abgestireift wurde.

. . BAD ORIGINAL

309832/0829