DE3524411C2

DE3524411C2 -

Info

Publication number: DE3524411C2
Application number: DE3524411A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. 7500 Karlsruhe De Ehrfeld; Peter Dr. 7514 Lepoldshafen De Hagmann
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1985-07-09
Filing date: 1985-07-09
Publication date: 1989-05-03
Also published as: CA1258572A; AU5988886A; BR8603196A; EP0209651A3; DE3524411A1; EP0209651B1; AU585624B2; EP0209651A2; US4694548A; JPH0747249B2; JPS6244322A; DE3680837D1; ATE66254T1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Spinn düsenplatten nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Spinndüsenplatten werden für die Herstellung von Fasern be nötigt, wobei der Ausgangsstoff aus organischem oder anor ganischem Material in fließfähigem Zustand durch eine Viel zahl von Spinndüsenkanälen in den Platten hindurchgepreßt wird. Die Spinndüsenkanäle bestehen in den meisten Fällen aus Düsen kapillaren, durch die das Material als Faser austritt, und wesentlich weiteren Vorkanälen, denen das zu verspinnende Ma terial zugeführt wird. Die Vorkanäle haben häufig die Form von Trichtern, die sich zu den Düsenkapillaren hin verjüngen, um schließlich in letztere überzugehen. Ein Verfahren der gat tungsgemäßen Art ist in der älteren DE-OS 35 17 730 beschrieben und dargestellt. Bei der dort gezeigten getrennten Herstellung von trichterförmigen Vorkanälen und Düsenkapillaren besteht die Gefahr, daß am Übergang in der Trennfuge ein unerwünschter Ver satz auftritt.

In der DE-OS 16 27 732 ist ein Verfahren zur Herstellung von Spinndüsen beschrieben, bei dem als Negativ-Zwischenformen Kunststoffabgüsse einer Urform verwendet werden. Die Urform wird gewonnen, indem man Stifte, deren Außenfläche der gewünschten Form der Spinnöffnungen entspricht nach dem Muster der Spinnöffnungen anordnet, mit einem Formwerkstoff abformt und die Stifte aus der Urform entfernt. Lithographische Metho den mit der hierfür charakteristischen hohen Präzision werden zur Herstellung der Stifte oder der Urform nicht angewendet.

Aus der US-PS 31 92 136 ist die Verwendung von Photoresistma terial bei der Herstellung von Präzisionsblenden und -masken bekannt. Die Blenden oder Masken bestehen aus einem dreischich tigen metallischen Verbundmaterial. Die Öffnungen in den bei den äußeren Schichten werden auf lithographisch-galvanischem Wege eingebracht; die Öffnungen in der mittleren dicksten Schicht werden durch Ätzen erzeugt. Die Genauigkeit bei der Herstellung dieser Öffnungen ist deutlich geringer als die bei der lithographisch-galvanischen Methode erzielbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art einen Weg aufzuzeigen, durch den ein versatzfreier, fluchtender Übergang von den Vorkanälen zu den Düsenkapillaren sichergestellt wird.

Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen von Anspruch 1 enthaltenden Maßnahmen gelöst. Durch die Verwendung der mit den trichterförmigen Vorkanälen versehenen metallischen Platte als Bestrahlungsmaske wird ein versatzfreier, fluchtender Übergang erzielt, wobei als strahlungsempfind liches Material sowohl ein Negativ-Resist als auch ein Positiv-Resist eingesetzt werden kann.

In Anspruch 2 wird gezeigt, daß nach demselben Lösungsprinzip auch Düsenka pillaren in Form von rohrförmigen Ansätzen hergestellt werden können. Spinndüsenplatten mit rohrförmigen Düsen kapillaren werden besonders vorteilhaft als Bauteile für die Herstellung von Spinndüsenvorrichtungen für die Er zeugung von Hohl- oder Mehrkomponentenfasern eingesetzt. Solche Spinndüsenvorrichtungen bestehen im allgemeinen aus mehreren übereinander angeordneten Spinndüsenplatten. Da nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Düsenkapilla ren sowohl in ihrem Einzelquerschnitt als auch in ihrer gegenseitigen Lage mit äußerster Präzision und Gleichmäßig keit gefertigt werden können und die gegenseitige Justie rung von mehreren relativ großen Spinndüsenplatten zum Zusammensetzen der Spinndüsenvorrichtungen kein größeres Problem darstellt, ist die Herstellung von Hohl- oder Mehrkomponentenfasern mit beliebigem Querschnitt und Auf bau möglich. Hierdurch lassen sich Fasern mit neuen und ungewöhnlichen Verwendungszwecken herstellen. Anspruch 3 zeigt, wie vorzugehen ist, wenn auch die metallische Platte mit den trichterförmigen Vorkanälen auf tiefenlithogra phisch-galvanischem Wege hergestellt werden soll.

Der mit der Erfindung erzielbare, kontinuierliche Übergang von den Vorkanälen zu den Düsenkapillaren ist nicht nur bei kreisförmigen Querschnitten, sondern auch bei profi lierten, z. B. sternförmigen Querschnitten der Düsenkapilla ren möglich.

Die einzelnen erfindungsgemäßen Verfahrensschritte werden im folgenden anhand der Figuren erläutert.

Die Fig. 1 zeigt eine metallische Platte mit trichter förmigen Vorkanälen 144. Die Seite der Platte 141, an der die verjüngten Enden der Vorkanäle 144 münden, ist mit einer Schicht 142 aus einem strahlungsempfindlichen Nega tiv-Resistmaterial verbunden. Diese Schicht 142 wird par tiell durch die Vorkanäle 144 hindurch mit Röntgenstrahlung 143 eines Elektronensynchrontrons bestrahlt so, daß schwer lösliche Bereiche 145 entstehen, deren Form derjenigen der Düsenkapillaren entspricht.

Danach werden die Vorkanäle 144 mit einem wieder entfern baren Füllmaterial 152 gefüllt, das sich mit den Bereichen 145 verbindet (Fig. 2). Nach dem Entfernen der nicht be strahlten Bereiche der Schicht 142 mit einem flüssigen Entwickler entstehen auf der Platte 141 säulenförmige Negativformen 151 der Düsenkapillaren. Nun wird auf der als Galvanikelektrode dienenden metallischen Platte 141 eine die Negativformen 151 einschließende Galvanikschicht 162 erzeugt (Fig. 3). Das Füllmaterial 152 und die Negativ formen 151 der Düsenkapillaren werden nach dem Einebnen der Galvanikschicht 162 herausgelöst so, daß eine aus den Teilen 141 und 162 bestehende Spinndüsenplatte 163 ent steht, bei der sich die Düsenkapillaren 161 nahtlos an die trichterförmigen Vorkanäle 144 anschließen (Fig. 4).

Im Falle der Verwendung eines Positiv-Resistmaterials als strahlungsempfindliche Schicht 142 a werden zunächst die bestrahlten Bereiche 142 b mit einem flüssigen Entwickler entfernt (Fig. 2a) und sodann die entfernten Bereiche und die Vorkanäle 144 mit einem wieder entfernbaren Füll material 152 a ausgefüllt, das schwerer löslich ist als das Positiv-Resistmaterial der Schicht 142 a (Fig. 2b). Darauf werden die nicht bestrahlten Bereiche der Schicht 142 a entfernt so, daß auch in diesem Falle säulenförmige Nega tivformen 151 a der Düsenkapillaren auf der metallischen Platte 141 entsprechend Fig. 2c entstehen. Die weiteren Schritte (Erzeugen und Einebnen der Galvanikschicht 162, Fig. 3a, Entfernen des Füllmaterials 152 a) entsprechen den vorbeschriebenen so, daß auch in diesem Falle eine Spinn düsenplatte 163 erzeugt wird, wie sie schematisch in Fig. 4 gezeigt ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch anwenden für die Herstellung von Spinndüsenplatten mit rohrförmigen Düsenkapillaren. Auch in diesem Falle wird die metallische Platte 141 mit den Vorkanälen 144 als Bestrahlungsmaske benutzt (Fig. 5), worauf die Schicht 142 nochmals partiell von der gegenüberliegenden Seite aus bestrahlt wird. Bei Verwendung eines Negativ-Resistmaterials wird für die Be strahlung mit der energiereichen Stellung 181 (Fig. 6) eine Maske benutzt, deren Absorberstrukturen 182 den Außen durchmessern der rohrförmigen Ansätze der Düsenkapillaren entsprechen, so, daß die bestrahlten Bereiche 174 und 175 nicht bestrahlte rohrförmige Bereiche 183 der Schicht 142 umschließen. Nach dem Auffüllen der Vorkanäle 144 mit einem wieder entfernbaren Füllmaterial 191 werden die nichtbe strahlten rohrförmigen Bereiche 183 mit einem flüssigen Entwickler herausgelöst so, daß rohrförmige Hohlräume 192 entstehen (Fig. 7). In diesen Hohlräumen 192 wird unter Verwendung der Platte 141 als Elektrode eine Galvanikstruk tur in der Form von rohrförmigen, metallischen Ansätzen 202 erzeugt (Fig. 8). Sodann werden nach dem Einebnen der Galvanikstruktur das restliche Resistmaterial der Schicht 142 und das Füllmaterial 191 entfernt so, daß eine aus der Platte 141 mit den trichterförmigen Vorkanälen 144 und den rohrförmigen Düsenkapillaren 202 bestehende Spinndüsen platte 211 entsteht (Fig. 9).

Im Falle der Verwendung eines Positiv-Resistmaterials wer den zunächst die bestrahlten, dem Innenraum der Düsenka pillaren entsprechenden Bereiche mit einem flüssigen Ent wickler entfernt und durch ein strahlungsunempfindliches Füllmaterial 191 a ersetzt, das auch die Vorkanäle 144 aus füllt (Fig. 6a). Sodann erfolgt eine nochmalige partielle Bestrahlung der Schicht 142 a mit energiereicher Strahlung 181 über eine Maske, deren Absorberstrukturen 182 a Durch brüche 182 b aufweisen, die den Außendurchmessern der rohr förmigen Ansätze für die Düsenkapillaren entsprechen.

Auf diese Weise entstehen zwischen dem Füllmaterial 191 a und dem nicht bestrahlten Resistmaterial der Schicht 142 a rohrförmige, bestrahlte Bereiche 183 a, die mit einem flüssigen Entwickler entfernt werden, so, daß rohrförmige Hohlräume 192 a entstehen (Fig. 7a). Die weitere Behandlung (Galvanisieren 202, Einebnen der Galvanikstruktur, Entfer nen des Füllmaterials 191 a und des restlichen Resist materials 142 a) erfolgt analog der Beschreibung zu den Fig. 8 und 9.

Anhand der Fig. 10, 11 und 12 wird im folgenden gezeigt, daß auch die metallische Platte mit den trichterförmigen Vorkanälen auf tiefenlithographisch-galvanischem Wege her gestellt werden kann. Hierzu wird auf einer als Galvanik elektrode dienenden Platte 12 eine Schicht 121 aus einem Negativ-Resistmaterial aufgebracht. Diese Schicht 121 wird über eine in geringem Abstand angeordnete Maske 122 par tiell mit parallelen Röntgenstrahlen 123 eines Elektro nensynchrotrons bestrahlt. Während der Bestrahlung führt die aus Maske 122, Resistschicht 121 und Platte 12 beste hende Einheit eine Taumelbewegung (Pfeile) relativ zur Strahlrichtung aus. Die Durchbrüche 125 in der Absorber struktur der Maske 122 haben einen Querschnitt, der dem der Düsenkapillaren entspricht. Durch die Strahlung 123 ent stehen in der Resistschicht 121 Bereiche 124 mit trichter fömigen zur Platte 12 sich erweiterndem Querschnitt, die aufgrund der Bestrahlung im Vergleich zu den nicht be strahlten Bereichen der Schicht 121 schwerer löslich sind. Nach dem Entfernen der nicht bestrahlten Bereiche der Re sistschicht 121 mit einem flüssigen Entwickler entstehen auf der Platte 12 Negativformen 131 der trichterförmigen Vorkanäle. Nach dem galvanischen Abscheiden von Metall auf der Platte 12 und dem Einebnen dieser Galvanikschicht 141 (Fig. 11) werden die Platte 12 und die Negativformen 131 entfernt so, daß eine mit trichterförmigen Vorkanälen 144 versehene metallische Platte 141 gemäß Fig. 12 entsteht.

Die Herstellung der metallischen Platte mit trichterförmi gen Vorkanälen kann auch bei Verwendung eines Positiv-Re sistmaterials auf tiefenlithographisch-galvanischem Wege erfolgen. Die gemäß Fig. 10 während der Bestrahlung mit einer Taumelbewegung entstandenen Bereiche werden in die sem Falle entfernt und durch ein Füllmaterial ersetzt. Nach dem Entfernen des restlichen Resistmaterials mit ei nem Entwickler erhält man so Negativformen der trichter förmigen Vorkanäle aus dem Füllmaterial, die entsprechend den Fig. 11 und 12 weiterbearbeitet werden. Bei tra pezförmigen Vorkanälen kann an die Stelle einer Taumel bewegung einer Kippbewegung treten.

Werden geringere Ansprüche an die Qualität der Vorkanäle gestellt, so kann anstelle der Bestrahlung mit einer Tau melbewegung eine Bestrahlung mit stark divergierenden Strah len einer flächenhaften Strahlungsquelle tragen.

Als Positiv-Resistmaterial wird PMMA verwendet, das nach der Bestrahlung in einem flüssigen Entwickler aus Butyl diglycol, Morpholin, Ethanolamin und Wasser gelöst wird. Das Negativ-Resistmaterial ist auf Polystyrol-Basis auf gebaut, der hierfür erforderliche Entwickler besteht aus einem Gemisch aus Ketonen und höheren Alkoholen. Die gal vanische Abscheidung von Metall erfolgt in einem chlorid freien Nickelsulfamatbad bei einer Temperatur von 52°C. Weitere Badbestandteile sind Borsäure, die zur Pufferung des Elektrolyten bei pH = 4 dient, und ein Netzmittel zur Porenverhütung. Die Röntgenmaske besteht aus einem für Röntgenstrahlung weitgehend durchlässigen Maskenträger aus ca. 20 µm starkem Beryllium und einem für Röntgenstrah lung weitgehend undurchlässigen Absorber aus ca. 15 µm starkem Gold. Als energiereiche Strahlung wird Synchrotronstrah lung mit einer charakteristischen Wellenlänge von λ = 0,2 nm verwendet. Das wieder entfernbare strahlungs unempfindliche Füllmaterial besteht aus einem Gemisch aus einem Epoxidharz und einem internen Trennmittel.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Spinndüsenplatten mit trichterförmigen Vorkanälen und sich hieran anschließen den Düsenkapillaren unter Anwendung tiefenlithographi scher und galvanischer Methoden, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Herstellen einer mit trichterförmigen Vorkanälen (144) versehenen, metallischen Platte (141);
b) Verbinden einer Schicht (142) aus durch energie reiche Strahlung in seinen Eigenschaften veränder barem Material (Resistmaterial) mit der Seite der metallischen Platte (141), an der die verjüngten Enden der Vorkanäle (144) münden;
c) Partielles Bestrahlen der Schicht (142) mit energiereicher Strahlung (143) unter Verwendung der metallischen Platte (141) als Maske;
d₁) Auffüllen der Vorkanäle (144) mit einem wieder ent fernbaren Füllmaterial (152) und Entfernen der nicht bestrahlten Bereiche der Schicht (142) im Falle der Verwendung eines Negativ-Resistmaterials so, daß mit dem Füllmaterial (152) verbundene Ne gativformen (151) der Düsenkapillaren auf der me tallischen Platte (141) entstehen, oder
d₂) Entfernen der bestrahlten Bereiche (142 b) aus der Schicht (142 a) und Auffüllen der ent fernten Bereiche und der Vorkanäle (144) mit dem wieder entfernbaren Füllmaterial (152 a) und anschließendes Entfernen der nicht bestrahlten Bereiche der Schicht (142 a) im Falle der Verwendung eines Positiv-Resistmaterials so, daß ebenfalls Ne gativformen (151 a) der Düsenkapillaren auf der metallischen Platte (141) entstehen;
e) Erzeugen einer die Negativformen (151 bzw. 151 a) der Düsenkapillaren einschließenden Galvanikschicht (162) auf der als Galvanikelektrode dienenden me tallischen Platte (141), Einebnen der Galvanik schicht (162) und Entfernen des Füllmaterials (152) und der Negativformen (151) im Falle d₁ bzw. Entfernen des Füllmaterials (151 a und 152 a) im Falle d₂ so, daß eine aus der Platte (141) mit den trichterförmigen Vorkanälen (144) und der Galvanikschicht (162) mit den Düsenkapilla ren (161) bestehende Spinndüsenplatte (163) ent steht.

2. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 1, zum Herstellen von Spinndüsenplatten mit rohrförmigen Düsenkapillaren, gekenn zeichnet durch folgende Schritte:

f₁) nach Schritt c) nochmaliges partielles Bestrahlen der Schicht (142) mit energiereicher Strahlung (181) über eine Maske, deren Absorberstrukturen (182) den Außendurchmessern der rohrförmigen Ansätze für die Düsenkapillaren entsprechen, und Auffüllen der Vorkanäle (144) mit einem wieder entfernbaren Füllmaterial (191) im Falle der Verwendung eines Negativ-Resistmaterials,
g₁) Entfernen der nicht bestrahlten Bereiche (183) der Schicht (142) aus Negativ-Resistmaterial so, daß rohrförmige Hohlräume (192) entstehen im Falle von f₁ oder
f₂) nach Schritt c) Entfernen der bestrahlten Bereiche und Auffüllen der entfernten Bereiche und der Vorkanäle (144) mit einem wieder entfernbaren, strahlungsunempfindlichen Füllmaterial (191 a) nochmaliges partielles Bestrahlen der Schicht (142 a) über eine Maske, deren Absorberstrukturen (182 a) Durchbrüche (182 b) aufweisen, die den Außen durchmessern der rohrförmigen Ansätze für die Düsen kapillaren entsprechen, im Falle der Verwendung ei nes Positiv-Resistmaterials;
g₂) Entfernen der über die Maske bestrahlten Bereiche (183 a) der Schicht (142 a) aus Positiv-Re sistmaterial so, daß ebenfalls rohrförmige Hohlräume (192 a) entstehen im Falle von f₂;
h) Erzeugen einer Galvanikstruktur (202) in den rohr förmigen Hohlräumen (192 bzw. 192 a) Einebnen der selben und Entfernen des Füllmaterials (191 bzw. 191 a) und des restlichen Resistmaterials (142 bzw. 142 a) entsprechend Schritt e) so, daß eine aus der Platte (141) mit den trichterförmigen Vorkanälen (144) und den rohrförmigen Düsenkapillaren (202) bestehende Spinndüsenplatte (211) entsteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die metallische Platte (141) mit den trichter förmigen Vorkanälen (144) ebenfalls auf tiefenlithogra phisch-galvanischem Wege gemäß folgenden Schritten her gestellt wird:

i) Verbinden einer Schicht (121) aus durch energierei che Strahlung in seinen Eigenschaften veränderbaren Material (Negativ-Resistmaterial) mit einer massiven Galvanikelektrode (12);
j) Erzeugen von mit der massiven Galvanikelektrode (12) verbundenen Negativformen (131) der trichterförmigen Vorkanäle durch partielles Bestrahlen des Resist materials (121) mit energiereicher Strahlung (123) über eine Maske (122), wobei die Einheit aus Maske (122), Resistmaterial (121) und massiver Galvanik elektrode (12) gleichzeitig eine Taumel- oder Kipp bewegung relativ zur Strahlrichtung ausführt und Entfernen des unbestrahlten Resistmaterials (121);
k) Erzeugen einer die Negativformen (131) der trichter förmigen Vorkanäle einschließenden Galvanikschicht (141) auf der massiven Galvanikelektrode (12), Ein ebnen der Galvanikschicht (141) und Ent fernen der Negativformen (131);
l) vollständiges oder teilweises Entfernen der massiven Galvanikelektrode (12) so, daß eine metalli sche Platte (141) mit trichterförmigen Vorkanälen (144) entsteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß als energiereiche Strahlung die von ei nem Elektronensynchrotron erzeugte Röntgenstrahlung verwendet wird.