DE4001399C1 - Metallic microstructures - formed on substrates, by putting poly:methyl methacrylate] between moulding tool and silicon substrate - Google Patents
Metallic microstructures - formed on substrates, by putting poly:methyl methacrylate] between moulding tool and silicon substrateInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung metalli scher Mikrostrukturen auf mechanisch empfindlichen Substraten oder nicht ebenen Substratoberflächen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to a method for producing metalli shear microstructures on mechanically sensitive substrates or non-flat substrate surfaces according to the preamble of claim 1.
Aus dem KfK-Bericht Nr. 4267, Mai 1987, des Kernforschungszen trums Karlsruhe ist es bekannt, das die Mikrostrukturen auf weisende Werkzeug mit den Stirnflächen der Mikrostrukturen auf die Substratoberfläche aufzusetzen, die so entstehenden Hohl räume zu evakuieren und zur Bildung der Negativformen mit ei nem Gießharz auszufüllen. Dem Gießharz wird ein Trennmittel beigemischt, so daß sich nach dem Erstarren die aue der Gießharzmasse bestehenden Negativformen leichter von dem Werk zeug trennen lassen. Dabei müssen die Stirnflächen der Struk turen des Werkzeugs unter hohem Druck, z. B. 50 N/mm2, auf die Substratoberfläche aufgepreßt werden, um zu vermeiden, daß Gießharzmasse zwischen diese Stirnflächen und die Substratoberfläche kriecht und dadurch den Start der Galvanik behindert (siehe Seite 54, Abs. 1). Diese Art der Mikroabfor mung ist jedoch bei druckempfindlichen Substraten oder solchen mit unebenen Substratoberflächen nicht anwendbar.From the KfK report No. 4267, May 1987, of the Karlsruhe Nuclear Research Center, it is known to place the microstructures on pointing tools with the end faces of the microstructures on the substrate surface, to evacuate the resulting cavities and to form the negative forms with an egg fill in a resin. A release agent is added to the casting resin, so that after solidification, the negative molds existing on the casting resin compound can be more easily separated from the tool. The end faces of the struc tures of the tool must be under high pressure, for. B. 50 N / mm 2 , are pressed onto the substrate surface in order to prevent casting resin from creeping between these end faces and the substrate surface and thereby hindering the start of the electroplating (see page 54, paragraph 1). However, this type of micro-shaping is not applicable to pressure-sensitive substrates or those with uneven substrate surfaces.
Ein ähnliches Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen geht aus der DE 33 35 171 A1 hervor. Dabei verbleibt nach dem Durchführen einer Kunststoffabformung von einer Positivform zunächst ein Kunststoff-Film aus lichtempfindlichem Material, der zuvor auf die Oberfläche einer elektrisch leitfähigen Sub stratplatte aufgebracht wurde und mit der abformenden Kunst stoff-Masse beim Abformvorgang eine Verbindung eingeht, als strahlungssensitive Restschicht auf dem Boden der erzeugten Negativform. Diese Restschicht wird vor der galvanischen Aus bildung der Mikrostrukturen durch Bestrahlen der freiliegenden Böden und Entwickeln entfernt. Auch dieses Verfahren erfordert die Anwendung hoher Drücke, damit zwischen Positivform und Substratplatte die notwendige Preßdichtung entsteht.A similar process for making microstructures emerges from DE 33 35 171 A1. It remains after Take a plastic impression from a positive mold first a plastic film made of light-sensitive material, the one previously on the surface of an electrically conductive sub stratplatte was applied and with the molding art material mass enters into a connection during the molding process, as radiation-sensitive residual layer on the bottom of the generated Negative form. This residual layer is before the galvanic out formation of the microstructures by irradiating the exposed ones Soils and developing removed. This procedure also requires the application of high pressures, between positive form and Substrate plate the necessary press seal is created.
Eine andere Variante der Mikroabformtechnik ist aus der DE- PS 35 37 483 bekannt. Dabei wird als Substrat eine elektrisch leitfähig gemachte Platte mit einer elektrisch isolierenden Schicht als Abformmasse verbunden. In diesen Verbund wird bei erhöhter Temperatur das Werkzeug eingepreßt, bis die Stirn flächen der Mikrostrukturen des Werkzeugs die elektrisch lei tende Platte gerade berühren. Nach dem Abkühlen wird entformt, worauf die so erzeugten Negativformen galvanisch mit einem Me tall aufgefüllt werden. Auch bei diesem Verfahren besteht die Gefahr, daß Reste der elektrisch isolierenden Abformmasse als Böden der von den Negativformen gebildeten Hohlräume auf der Substratoberfläche verbleiben und das galvanische Auffüllen der Hohlräume beeinträchtigen.Another variant of the micro impression technique is from DE PS 35 37 483 known. An electrical substrate is used made conductive plate with an electrically insulating Layer connected as an impression compound. In this network, at the tool pressed in until the forehead surfaces of the microstructures of the tool Touch the top plate straight. After cooling, the mold is removed whereupon the negative forms thus generated galvanically with a me be filled up tall. This procedure also exists Risk that residues of the electrically insulating impression material as Bottoms of the cavities formed by the negative forms on the The substrate surface remains and the galvanic filling of the cavities.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, das gattungsgemäße Verfahren dahingehend zu verbessern, daß die Mikroabformtechnik ohne Be einträchtigung der Galvanik auch bei mechanisch empfindlichen Substraten oder unebenen Substratoberflächen angewendet werden kann.The invention has for its object the generic method to improve in that the micro impression technique without loading impairment of the electroplating even with mechanically sensitive Substrates or uneven substrate surfaces can be applied can.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Maßnahmen von Pa tentanspruch 1 gelöst. Die hierauf bezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Lösung.This task is accomplished with the characteristic measures of Pa Claim 1 solved. The related claims contain advantageous embodiments of this solution.
Mit der erfindungsgemäßen "Flutbestrahlung" können die Rest schichten an den Böden der Hohlräume der Negativformen restlos beseitigt werden, so daß die Substratoberfläche an diesen Stellen vollständig freigelegt wird für den Start der Galva nik. Dabei werden zwar auch die freien Stirnseiten der Nega tivformen angegriffen; da die Eindringtiefe der Strahlung je doch sehr gering ist, hat dieser Effekt keine praktische Be deutung in Anbetracht der großen Gesamthöhe der Negativstruk turen.With the "flood radiation" according to the invention, the rest layers on the bottoms of the cavities of the negative molds completely be eliminated so that the substrate surface on this Places will be fully exposed for the start of the galva nik. The free end faces of the Nega are also included creative forms attacked; since the penetration depth of the radiation ever is very small, this effect has no practical effect interpretation in view of the large overall height of the negative structure doors.
Wegen der geringen Eindringtiefe der Strahlung von wenigen µm kann für die Flutbestrahlung relativ langwellige Synchrotron strahlung in Verbindung mit röntgenempfindlichen Polymeren wie PMMA verwendet werden. In Betracht kommen auch UV-empfindliche Resistmaterialien in Verbindung mit einem Excimerlaser oder Polymere, bei denen der Abtrag durch eine Flutbestrahlung mit Ionen oder Radikalen (Ionenätzprozesse) erfolgt.Because of the low penetration depth of the radiation of a few µm can be relatively long-wave synchrotron for flood irradiation radiation in connection with X-ray sensitive polymers such as PMMA can be used. UV-sensitive can also be considered Resist materials in connection with an excimer laser or Polymers, in which the removal by flood radiation with Ions or radicals (ion etching processes) takes place.
Als Haftvermittler kann eine monomolekulare Schicht aus Hexa methyldisilazan oder insbesondere bei Metallsubstraten aus Methacryloxypropyltrimethoxysilan verwendet werden.A monomolecular layer of hexa methyldisilazane or in particular in the case of metal substrates Methacryloxypropyltrimethoxysilane can be used.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch auf fertig prozessierten Silizium-Wafern mittels der Mikroabformtechnik Strukturen, z. B. Sensorelemente aufgebaut werden, wie sie in der DE-OS 37 27 142 dargestellt und beschrieben sind.You can also use the method according to the invention to finish processed silicon wafers using micro impression technology Structures, e.g. B. Sensor elements are constructed as in DE-OS 37 27 142 are shown and described.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 5 erläutert:An embodiment of the invention is explained below with reference to FIGS. 1 to 5:
Fig. 1 zeigt in stark vergrößertem Maßstab im Schnitt einen als Substrat dienenden Siliziumwafer 1, der ganzflächig mit einer dielektrischen Schicht aus Siliziumnitrid passiviert wurde. Auf diesem Siliziumwafer 1 wird eine 2 µm dicke Titan schicht 1a aufgesputtert und anschließend deren Oberfläche 1b anodisch oxidiert. Die so oxidierte Oberfläche 1b ergibt wegen ihrer Mikroporosität eine sehr gute Haftung zu Gießharzen auf Methylmethacrylatbasis und dient daher als Haftvermittler. Aufgrund dieser Porosität bleibt jedoch die elektrische Leitfähigkeit der Substratoberfläche 1a, 1b in bezug auf die Galvanik erhalten; d. h. die Titanschicht 1a erfüllt weiterhin ihre Funktion als Elektrode für das spätere galvanische Auf füllen der Negativform mit einem Metall. Fig. 1 shows in a greatly enlarged scale in cross-section serving as a substrate silicon wafer 1, which was the entire surface passivated with a dielectric layer of silicon nitride. A 2 μm thick titanium layer 1 a is sputtered onto this silicon wafer 1 and its surface 1 b is then anodically oxidized. Because of its microporosity, the surface 1 b oxidized in this way gives very good adhesion to casting resins based on methyl methacrylate and therefore serves as an adhesion promoter. Due to this porosity, however, the electrical conductivity of the substrate surface 1 a, 1 b with respect to the electroplating is retained; ie the titanium layer 1 a continues to perform its function as an electrode for the subsequent galvanic filling of the negative mold with a metal.
Über dem Substrat 1 wird ein die Mikrostrukturen 2a aufwei sendes Abformwerkzeug 2 angeordnet in der Weise, daß die freien Stirnflächen 2b der Mikrostrukturen 2a von der Substratoberfläche 1b einen Abstand von ca. 5 µm haben. Bei unebener Substratoberfläche bezieht sich dieser Abstand auf deren höchste Stellen. Die Mikrostrukturen 2a bzw. deren gegenseitige Abstände haben charakteristische laterale Abmes sungen im µm-Bereich bei einer Höhe von 100 µm oder höher.Above the substrate 1 , a microstructure 2 a sending impression tool 2 is arranged in such a way that the free end faces 2 b of the micro structures 2 a from the substrate surface 1 b have a distance of about 5 microns. If the substrate surface is uneven, this distance refers to the highest points. The microstructures 2 a and their mutual distances have characteristic lateral dimen solutions in the micron range at a height of 100 microns or higher.
Nach dem Evakuieren werden die so gebildeten Zwischenräume zwischen Substrat 1 und Werkzeug 2 mit einer Abformmasse 3 ge füllt. Als strahlenempfindliche, elektrisch isolierende Ab formmasse 3 eignet sich z. B. ein Gießharz, dem ein Trennmittel beigemischt wurde. Das Gießharz 3 wird nach dem Ausfüllen der Zwischenräume unter Nachdruck polymerisiert.After evacuation, the spaces thus formed between substrate 1 and tool 2 are filled with an impression material 3 . As radiation-sensitive, electrically insulating molding compound 3 is suitable for. B. a casting resin to which a release agent has been added. The casting resin 3 is polymerized after filling the gaps under pressure.
Alternativ kann für diesen Verfahrensschritt das Substrat 1 auch zunächst mit der strahlenempfindlichen, elektrisch iso lierenden Abformmasse 3 beschichtet und dann das Werkzeug 2 in die noch nicht auspolymerisierte Abformmasse eingedrückt wer den, wobei überschüssige Abformmasse verdrängt wird.Alternatively, for this process step, the substrate 1 can also first be coated with the radiation-sensitive, electrically insulating impression material 3 and then the tool 2 pressed into the not yet polymerized impression material, the excess impression material being displaced.
Beim Entformen haftet die so erzeugte, strahlenempfindliche und elektrisch isolierende Negativform 4 wegen der guten Haft eigenschaften der mikroporösen Titanoxidoberfläche 1b auf der Titanschicht 1a und damit indirekt auch auf dem Substrat 1; von den glatten Wänden des Werkzeugs 2 läßt sich die Negativ form 4 wegen des Trennmittels hingegen leicht abtrennen. Die Strukturen der Negativform 4 sind komplementär zu den herzu stellenden, metallischen Mikrostrukturen mit Ausnahme von ca. 5 µm dicken Restschichten, die als Böden 4a der Hohlräume 4b der Negativform 4 auf der Substratoberfläche 1b verbleiben (Fig. 2). On demoulding the negative mold thus produced radiation-sensitive and electrically insulating 4 adheres because of the good adhesive properties of the microporous titanium oxide surface 1 b on the titanium layer 1 a and thus indirectly on the substrate 1; from the smooth walls of the tool 2 , however, the negative form 4 can be easily separated because of the release agent. The structures of the negative mold 4 are complementary to the metallic microstructures to be produced, with the exception of approximately 5 μm thick residual layers, which remain as bottoms 4 a of the cavities 4 b of the negative mold 4 on the substrate surface 1 b ( FIG. 2).
Als nächster Schritt erfolgt eine Flutbestrahlung der gesamten Negativform 4 mit weicher Synchrotronstrahlung mit einer cha rakteristischen Wellenlänge von 2 nm, wobei die Einfallrich tung der Strahlung (Pfeile in Fig. 3) exakt parallel zu den an die Böden 4a angrenzenden Seitenwänden 4c der Strukturen der Negativform 4 ausgerichtet ist. Diese Röntgenstrahlung durchdringt die Böden 4a, so daß sie mit Hilfe eines Entwick lers aus Dibutylglycol, Äthanolamin, Morpholin und Wasser her ausgelöst werden können. Dadurch werden die Hohlräume 4b der Negativform 4 bis zur Titanschicht 1a, 1b freigelegt, die als Galvanikstartschicht dient (Fig. 4); der gleichzeitige ge ringe Abtrag an den freien Stirnseiten 4d der Negativform 4 ist hierbei in Anbetracht von deren großen Strukturhöhe ohne praktische Bedeutung.The next step is exactly parallel to the a adjacent side walls 4 c to the bottoms 4 of the structures is carried out a flood irradiation of the entire negative mold 4 with soft synchrotron radiation with a cha acteristic wavelength of 2 nm, the incidence Rich processing of the radiation (3 arrows in Fig.) the negative mold 4 is aligned. This X-ray penetrates the soils 4 a, so that they can be triggered with the help of a developer from dibutyl glycol, ethanolamine, morpholine and water. As a result, the cavities 4 b of the negative mold 4 are exposed up to the titanium layer 1 a, 1 b, which serves as the electroplating start layer ( FIG. 4); the simultaneous ge rings removal on the free end faces 4 d of the negative mold 4 is of no practical importance in view of their large structural height.
Anschließend werden die Hohlräume 4b der Negativform 4 galva nisch unter Verwendung eines Nickelsulfamatelektrolyten und der Titanschicht 1a als Kathode mit Nickel 5a aufgefüllt, wo mit die gewünschte, fest mit dem Siliziumwafer 1 verbundene, metallische Mikrostruktur 5 entsteht.Then the cavities 4 b of the negative mold 4 are electroplated using a nickel sulfamate electrolyte and the titanium layer 1 a as a cathode with nickel 5 a, where the desired, firmly connected to the silicon wafer 1 , metallic microstructure 5 is formed.
Diese kann -in der Draufsicht gesehen- z. B. die Gestalt eines spiralförmigen Sensorelements haben, das, wie in der zitierten DE-OS 37 27 142 gezeigt, über zuvor angebrachte Kontaktlöcher und Leiterbahnen mit elektronischen Schaltkreisen des Siliziumwafers verbunden ist.This can - seen in plan view - e.g. B. the shape of a have spiral sensor element, as in the cited DE-OS 37 27 142 shown, via previously made contact holes and conductor tracks with electronic circuits of the Silicon wafer is connected.
Die aue dem erstarrten Gießharz bestehende Negativform 4 kann mit Hilfe von erwärmtem Methylenchlorid herausgelöst werden. Die Titanschicht 1a zwischen den Strukturen 5 kann sodann se lektiv mit verdünnter Flußsäure abgeätzt werden (Fig. 5).The negative mold 4 consisting of the solidified casting resin can be removed with the aid of heated methylene chloride. The titanium layer 1 a between the structures 5 can then be etched selectively with dilute hydrofluoric acid ( Fig. 5).
BezugszeichenlisteReference symbol list
1 Siliziumwafer (Substrat)
1a Titanschicht
1b Oberfläche
2 Abformwerkzeug
2a Mikrostrukturen des Abformwerkzeugs 2
2b freie Stirnflächen der Mikrostrukturen 2a
3 Abformmasse
4 Negativform aus der Abformmase 3
4a Böden der Negativform 4
4b Hohlräume der Negativform 4
4c Seitenwände der Negativform 4
4d freie Stirnseiten der Negativform 4
5 metallische Mikrostruktur
5a Nickel 1 silicon wafer (substrate)
1 a titanium layer
1 b surface
2 impression tool
2 a microstructures of the impression tool 2
2 b free end faces of the microstructures 2 a
3 impression material
4 negative form from the impression 3
4 a bottoms of the negative form 4
4 b cavities of the negative form 4
4 c side walls of the negative mold 4
4 d free faces of the negative form 4
5 metallic microstructure
5 a nickel
Claims (4)
- a) eine Schicht aus elektrisch isolierender Abformmasse mit der Substratoberfläche, welche elektrisch leitfähig ist, verbunden wird und
- b) durch Abformen eines die Mikrostrukturen aufweisenden Werkzeugs mit der elektrisch isolierenden Abformmasse auf der Substratoberfläche Negativformen der Mikrostruk turen erzeugt werden, die
- c) galvanisch unter Verwendung der elektrisch leitfähigen Substratoberfläche als Elektrode mit einem Metall aufge füllt werden,
- a) a layer of electrically insulating impression material is connected to the substrate surface, which is electrically conductive, and
- b) by molding a tool having the microstructures with the electrically insulating impression material on the substrate surface, negative shapes of the microstructures are produced which
- c) galvanically filled with a metal using the electrically conductive substrate surface as an electrode,
- d) Als elektrisch isolierende Abformmasse (3) wird ein Ma terial verwendet, das zugleich strahlenempfindlich ist;
- e) im Zuge der Erzeugung der Negativformen (4) aus der Ab formmasse (3) wird eine Restschicht der Abformmasse als Böden (4a) der Hohlräume (4b) der Negativformen (4) auf der Substratoberfläche (1b) belassen;
- f) vor dem galvanischen Auffüllen mit einem Metall (5) wer den die Negativformen (4) einer deren Böden (4a) durch dringenden Flutbestrahlung ausgesetzt und entwickelt, wobei die Einfallrichtung der Flutstrahlung parallel zu den an die Böden (4a) angrenzenden Seitenwänden (4c) der Strukturen der Negativformen (4) ausgerichtet wird.
- d) A material is used as an electrically insulating impression material ( 3 ) which is also sensitive to radiation;
- e) in the course of producing the negative molds ( 4 ) from the molding compound ( 3 ), a residual layer of the molding compound is left as bottoms ( 4 a) of the cavities ( 4 b) of the negative molds ( 4 ) on the substrate surface ( 1 b);
- f) before the galvanic filling with a metal ( 5 ) who the negative forms ( 4 ) one of their floors ( 4 a) exposed and developed by urgent flood radiation, the direction of incidence of the flood radiation parallel to the side walls adjacent to the floors ( 4 a) ( 4 c) the structures of the negative forms ( 4 ) is aligned.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
| D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |