DE4239532C1 - Verwendung von Mikro-Carbonfasern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Mikro-Carbonfasern zum Prüfen der elektrischen Leitfähigkeit des Strukturgrundes von mikrostrukturierten Körpern, bei denen sich auf einem elektrisch leitfähigen Strukturgrund Mikrostrukturelemente aus elektrisch nicht leitfähigem Material erheben.

Bei dem Verfahren gemäß der DE-PS 37 12 268 wird auf eine me­ tallische Trägerschicht. z. B. Chrom-Nickel-Stahl, eine für Röntgenstrahlen empfindliche Resistschicht aufgebracht, die über eine Röntgenmaske partiell mit Synchronstrahlung be­ lichtet wird. Die belichteten Bereiche werden mit einem flüs­ sigen Entwickler herausgelöst, wodurch den Mikrostrukturen entsprechende Hohlräume entstehen. Mit diesem Verfahren können Mikrostrukturen mit sehr hohen Aspektverhältnissen bei klein­ sten, lateralen Abmessungen im µm-Bereich erzeugt werden.

Aus der EP 0 328 161 A2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Werkzeug, das auf einer Grundplatte Mikrostrukturen trägt, ab­ geformt wird. Hierzu wird auf die Stirnflächen der Mikrostruk­ turen des Werkzeugs nacheinander eine Trennmittelschicht und eine elektrisch leitende Schicht aus niedermolekularem Poly­ methylmethacrylat (PNMA), gemischt mit 20 bis 50 Gew.-% Ruß aufgetragen. Danach wird das Werkzeug mit einer elektrisch isolierenden Abformmasse, z. B. einem Gießharz, ausgefüllt und überschichtet. Nach der Warmhärtung der Abformmasse, bei der das elektrisch leitende Material mit der aushärtenden Abform­ masse eine feste Verbindung eingeht, wird das Werkzeug von der ausgehärteten Abformmasse getrennt. Dabei bleibt das elek­ trisch leitende Material auf dem Strukturgrund der Mikrostruk­ turen haften.

Aus der DE 40 10 669 C1 ist eine hierzu alternatives Verfahren zur Herstellung mikrostrukturierter, plattenförmige Körper bekannt, wobei deren Strukturgrund eine zusammenhängende Flä­ che bilden muß, bei dem auf einer elektrisch nicht leitenden Thermoplast-Schicht ein Film des elektrisch leitenden Materi­ als aufgebracht wird, danach ein Werkzeug bei einer Tempera­ tur, die oberhalb der Erweichungstemperatur des Thermoplasten liegt, durch den Film des elektrisch leitenden Materials hin­ durch in die Thermoplast-Schicht eingedrückt wird, Formeinsatz und Thermoplast-Schicht auf eine Temperatur unterhalb der Er­ weichungstemperatur des Thermoplasten abgekühlt werden und der Formeinsatz entfernt wird.

Aus der DE 39 37 308 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Mikrostrukturkörpern bekannt, bei dem auf einer elektrisch leitfähigen Grundplatte Mikrostrukturen aus Kunst­ stoff erzeugt werden, wobei im Zuge der Erzeugung der Mi­ krostrukturen eine Restschicht des Kunststoffes auf der elek­ trisch leitfähigen Grundplatte belassen wird und erst an­ schließend die Restschicht des Kunststoffes durch reaktives Ionenätzen mittels senkrecht gegen die Oberfläche der Grund­ platte beschleunigter Ionen entfernt wird.

Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, daß mikrostrukturierte Körper hergestellt werden, bei denen sich auf einem elektrisch leitfähigen Strukturgrund Mikrostrukturelemente aus elektrisch nicht leitfähigem Material erheben. Bei allen Verfahren sollen die mikrostrukturierten Körper in nachfolgenden Schritten gal­ vanisch mit einem Metall abgeformt werden, wobei entweder die Grundplatte oder der elektrisch leitfähig gemachte Struktur­ grund als Kathode geschaltet wird.

Für eine einwandfreie galvanische Abformung ist es unabding­ bar, daß die galvanischen Abscheidung an allen Stellen des Strukturgrunds gleichmäßig einsetzt und nicht in einzelnen Be­ reichen durch elektrisch schlecht- oder nicht leitende Fehl­ stellen im Strukturgrund behindert oder vollständig gehemmt wird.

Solche Fehlstellen können beim erstgenannten Verfahren bei­ spielsweise dadurch entstehen, daß die mit Röntgenstrahlen be­ lichteten Bereiche vom Entwickler nicht vollständig herausge­ löst werden, so daß die elektrisch leitfähige Trägerschicht nicht freigelegt ist. Fehlerquellen bei den an zweiter und dritter Stelle genannten Verfahren sind beispielsweise, daß die elektrisch leitfähige Schicht unzureichend vom Werkzeug auf den mikrostrukturierten Körper übertragen oder in den Strukturgrund gepreßt wird. Bei dem an vierter Stelle genann­ ten Verfahren kann schließlich eine Kontrollmessung zweckmäßig sein, mit der festgestellt wird, ob die Restschicht bereits vollständig entfernt ist.

Erfindungsgemäß soll eine Möglichkeit geschaffen werden, Fehl­ stellen dieser Art erkennen zu können.

Es ist allgemein bekannt, daß die elektrische Leitfähigkeit von Körpern dadurch gemessen werden kann, daß eine erste Stelle des Körpers mit der ersten elektrischen Leitung eines Durchgangsprüfers kontaktiert und eine beliebige weitere Stelle des Körpers mit einer Tasterspitze, die mit der zweiten elektrischen Leitung des Durchgangsprüfers verbunden ist, be­ rührt wird. Eine solche erste Stelle ist bei allen mikrostruk­ turierten Körpern vorhanden, die nach Verfahren der oben ge­ nannten Art hergestellt werden, denn eine solche Stelle wird bei der Kontaktierung für die anschließende galvanische Abfor­ mung benötigt.

Es ist jedoch problematisch, den Strukturgrund von mikrostruk­ turierten Körpern abzutasten. Wie erwähnt, kann mit den oben genannten Verfahren ein hohes Aspektverhältnis erreicht wer­ den; dies bedeutet, daß der Strukturgrund eine bis zwei Größenförderungen kleiner ist als die Höhe der Mikrostrukturele­ mente. Beispielsweise können einige hundert Mikrometer hohe Mikrostrukturelemente durch Gräben, die lediglich etwa 10 µm breit sind, voneinander getrennt sein. Soll an solchen mi­ krostrukturierten Körpern der Strukturgrund abgetastet werden, so ist es nahezu unvermeidlich, daß die Mikrostrukturelemente berührt und zerstört werden.

Aus der EP 0 483 579 A2 ist eine Abtastnadel mit einer Größe im Nanometer-Bereich für ein Raster-Tunnel-Elektronenmikroskop bekannt, die in eine Spitze ausläuft. Die Abtastnadel besteht aus einer Carbon-Matrixstruktur mit eingelagerten Metallteilchen; sie weist entsprechend ihrer Verwendung eine starre Struktur auf.

Bei der erfindungsgemäß zu schaffenden Möglichkeit, Fehlstel­ len im Strukturgrund erkennen zu können, muß die Gefahr, daß dabei Mikrostrukturelemente zerstört werden, so weit wie mög­ lich minimiert werden. Wegen ihrer starren Struktur ist die bekannte Abtastnadel hierfür nicht geeignet.

Die Lösung dieses Problems gelingt durch die eingangs ange­ sprochene Verwendung von Mikro-Carbonfasern zum Prüfen der elektrischen Leitfähigkeit des Strukturgrundes von mikrostruk­ turierten Körpern, bei denen sich auf einem elektrisch leit­ fähigen Strukturgrund Mikrostrukturelemente aus elektrisch nicht leitfähigem Material erheben.

Mikro-Carbonfasern eignen sich wegen ihrer hohen Elastizität, ihrer Formsteifheit und ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit in besonderem Maß zum Prüfen der elektrischen Leitfähigkeit des Strukturgrundes. Selbst wenn mit Mikro-Carbonfasern Mi­ krostrukturelemente berührt werden, besteht nicht die Gefahr der Zerstörung, da sich Mikro-Carbonfasern elastisch verbie­ gen.

Unter Mikro-Carbonfasern sollen im folgenden Carbonfasern mit einem Durchmesser von weniger als 100 µm verstanden werden. Ihre elektrische Leitfähigkeit soll möglichst hoch sein.

Mikro-Carbonfasern sind im Handel erhältlich.

Beispielsweise werden Mikro-Carbonfasern mit einer Dicke von ca. 5-10 µm als Garne mit einer Filamentzahl zwischen 1000 und 24000 und einer Länge bis zu mehreren 1000 Metern angebo­ ten. Solche Filamente können aus einem Abschnitt eines Garns herausgezogen und verwendet werden. Daneben werden Kurz­ schnittfasern mit einigen Millimetern Länge angeboten, die ebenfalls brauchbar sind.

Der elektrische Widerstand solcher Fasern liegt im Bereich von 1,5·10^-3 Ωcm (ca. eine Größenordnung unter der Leitfähigkeit von Quecksilber).

Ein kommerzieller Anbieter ist die Fa. Akzo Faser AG, Wupper­ tal.

Selbstverständlich werden zum erfindungsgemäßen Prüfen der elektrischen Leitfähigkeit solche Mikro-Carbonfasern ausge­ wählt, die kleiner sind als die Fläche des Strukturgrunds, die kontaktiert werden soll. Ihre Länge muß außerdem die Höhe der benachbarten Mikrostrukturelemente übersteigen. Für die übli­ cherweise hergestellten mikrostrukturierten Körper können Mikro-Carbonfasern mit einem Durchmesser von weniger als 20 µm, insbesondere von 10 µm bis 5 µm eingesetzt werden. Es ist für die erfindungsgemäße Verwendung völlig ausreichend, wenn eine Mikro-Carbonfaser einer Länge, die die Höhe der be­ nachbarten Mikrostrukturelemente um das 1,5- bis 2fache über­ steigt, mit dem Ende eines üblichen elektrischen Leitungsdraht verbunden ist. Dieser Leitungsdraht und eine elektrische Lei­ tung, die mit der für die Galvanik vorgesehenen Kontaktstelle verbunden ist, werden mit einem üblichen elektrischen Durch­ gangsprüfer verbunden.

Wegen der normalerweise geringen Größe der Mikrostruktur­ elemente und deren geringem Abstand zueinander wird die Kon­ taktierung der Mikro-Carbonfaser mit dem Strukturgrund häufig unter dem Mikroskop kontrolliert werden müssen. Die Länge der eingesetzten Mikro-Carbonfaser wird in diesen Fällen so ge­ wählt, daß zumindest das freie Faserende unter dem Mikroskop sichtbar ist. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß der elektri­ sche Leitungsdraht im allgemeinen um Größenordnungen dicker ist als die Mikro-Carbonfaser, so daß er die Sicht auf die Fa­ ser verdeckt.

Es hat sich gezeigt, daß bei elektrischen Leitungsdrähten von ca. 1 mm Durchmesser die Faser ca. 5 mm lang sein sollte, da­ mit das Faserende auch bei höheren Vergrößerungen und einem entsprechend eingeengten Sichtfeld im Mikroskop sichtbar bleibt. Vorzugsweise wird die Faser am Leitungsdraht nicht rechtwinklig, sondern leicht abgewinkelt angebracht, so daß der Winkel zwischen Leitungsdraht und Faser etwas größer ist als 90°.

Da ein solcher Winkel im allgemeinen nicht exakt einstellbar ist, wird man eine längere Mikro-Carbonfaser am Ende des Lei­ tungsdrahtes anbringen und die Faser entsprechend den gegebe­ nen Sichtverhältnissen unter dem Mikroskop entsprechend kür­ zen.

Die Verbindung zwischen Mikro-Carbonfasern und einem konven­ tionellen Leitungsdraht kann durch Leitlacke, z. B. durch Sil­ berleitlack hergestellt werden. Bei Bedarf können die Mikro- Carbonfasern leicht ausgetauscht werden. Als Durchgangsprüfer eignet sich ein üblicher Galvaniktester.

Ein besonderer Vorteil der Mikro-Carbonfasern ist, daß sie durch spezielle Behandlungsschritte, z. B. durch elektrochemi­ sche Verfahren, z. B. elektrochemisches Ätzen der Spitze, verjüngt und zugespitzt werden können. Außerdem können die Mikro-Carbonfasern durch chemische Verfahren modifiziert wer­ den. Solche Behandlungsschritte sind bei der Verwendung von Kohlefasern als Mikroelektroden in der analytischen Elektro­ chemie bekannt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels und einer Figur näher erläutert.

In der Figur ist der Meßaufbau dargestellt.

Der zu untersuchende mikrostrukturierte Körper 1 wird an der für die Galvanik vorgesehenen Kontaktfläche 2 elektrisch kon­ taktiert und auf dem Arbeitstisch eines Mikroskops (nicht dar­ gestellt) fixiert. Die elektrische Ableitung 3 vom mikrostruk­ turierten Körper 1 wird mit einem (nicht dargestellten) elek­ tronischen Leitfähigkeitstester, einem Durchgangsprüfer mit eigener Stromversorgung (UNITEST Typ V1X ohmvariant), verbun­ den. Das andere Kabel des Leitfähigkeitstesters ist mit einem Draht 4 verbunden, der durch einen (nicht dargestellten) Mi­ kromanipulator bewegt werden kann. Am freien Ende dieses Drahtes 4 befindet sich eine Mikro-Carbonfaser 6, die senk­ recht zur Grundplatte 5 des mikrostrukturierten Körpers 1 ju­ stiert ist. Die Mikro-Carbonfaser 6 ist ca. 5 mm lang, 7 µm dick und wurde durch Kleben mit Silberleitlack mit dem Draht 4 verbunden.

Mit Hilfe des Mikromanipulators wird nun die Mikro-Carbonfaser 6 unter das Objektiv 7 und über den mikrostrukturierten Körper 1 gebracht, so daß die Mikro-Carbonfaser sichtbar ist. Durch Anheben des Arbeitstisches oder durch Absenken der Faser ist es nun möglich, mit der Faser in die Räume 8 zwischen den Mi­ krostrukturelementen 9 des mikrostrukturierten Körpers 1 zu gelangen, bis der elektrisch leitfähige Strukturgrund 10 des mikrostrukturierten Körpers kontaktiert ist. Ist der Struktur­ grund 10 an dieser Stelle frei von elektrisch isolierenden Restschichten, so wird dies durch ein optisches oder akkusti­ sches Signal im Leitfähigkeitstester angezeigt. Ist dagegen eine elektrisch isolierende Restschicht vorhanden, so fließt zwischen der Mikro-Carbonfaser 6 und der Kontaktfläche 2 kein oder nur ein geringer Strom.

Mit Hilfe dieser Methode wurden bisher mehrere unterschiedlich gestaltete mikrostrukturierte Körper untersucht. Sie hat sich dabei als sehr nützlich erwiesen. Probleme bezüglich einer me­ chanischen Schädigung von Mikrostrukturelementen durch Berüh­ rungen mit der Mikro-Carbonfaser traten dabei nicht auf, so daß eine zerstörungsfreie Prüfmethode vorliegt. Dies ist vor allem den oben erwähnten besonderen Eigenschaften von Mikro- Carbonfasern zuzuschreiben. Für schnellere Untersuchungen kann die Meßanordnung mit Hilfe eines geeigneten, programmierbaren Mikromanipulators automatisiert werden.

Mit dem erfindungsgemäß zu verwendenden Mikro-Carbonfasern konnten mikrostrukturierte Körper mit unterschiedlichen late­ ralen Abmessungen untersucht werden. Es wurde der Struktur­ grund zwischen 120 µm hohen Mikrostrukturelementen kontak­ tiert, wobei der Strukturgrund Breiten zwischen 200 µm bis herunter zu 20 µm aufwies.

Die mikrostrukturierten Körper hatten teilweise die Form von Zahnrädern, teilweise die Form von eng benachbarten Kunst­ stoffsäulen auf einem metallischen Strukturgrund.

Claims (2)

1. Verwendung von Mikro-Carbonfasern zum zerstörungsfreien Prüfen der elektrischen Leitfähigkeit des Strukturgrundes von mikrostrukturierten Körpern, bei denen sich auf einem elektrisch leitfähigen Strukturgrund Mikrostrukturelemente aus elektrisch nicht leitfähigem Material erheben.

2. Verwendung von in eine Spitze auslaufenden Mikro-Carbon­ fasern nach Anspruch 1.