DE4326289A1 - Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturkörpern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturkörpern mit Strukturtiefen von mehreren µm bis in den mm-Bereich durch bildmäßiges Bestrahlen von Polymeren mit Röntgenstrahlen und Entfernen der bildmäßig bestrahlten Bereiche der Polymeren, wobei diese Polymeren vor dem bildmäßigen Bestrah­ len durch Polymerisation der Monomeren auf einem elektrisch leit­ fähigen Träger fest verankert werden.

Die Entwicklung der Mikroelektronik hat gezeigt, daß die konse­ quente Miniaturisierung und Integration zu einer unüberschaubaren Vielfalt neuer Produkte mit entsprechenden Technologien führt. Die Mikroelektronik hat in wenigen Jahren gegenüber anderen Indu­ striezweigen einen gewaltigen Vorsprung in der Miniaturisierung gewonnen. Inzwischen zeichnet sich ab, daß in Zukunft auch andere Mikrotechniken eine große Bedeutung erlangen werden, wobei insbe­ sondere die Mikromechanik und die integrierte Optik zu erwähnen sind. Solche Techniken eröffnen in der Kombination mit der Mikro­ elektronik eine unvorstellbare Zahl neuer elektronischer, optischer, biologischer und mechanischer Funktionselemente.

Bei einer Massenfertigung von nichtelektronischen Bauelementen, Systemkomponenten und Subsystemen der Mikrotechnik wird man naturgemäß die außerordentlich leistungsfähigen Fertigungsmetho­ den der Halbleitertechnik in möglichst großem Umfang nutzen. Gleichzeitig muß man versuchen, klassische Methoden der Feinwerk­ technik für die Mikromechanik zu ertüchtigen und mit entsprechend modifizierten Halbleiterfertigungsmethoden zu verschmelzen, um so die engen Grenzen der Siliciumplanartechnik verlassen und neue Gestaltungsmöglichkeiten erschließen zu können, die auf einer Vielfalt von Formen und Materialien aufbauen. Diese Forderung wird z. B. in hohem Maße durch das LIGA-Verfahren erfüllt, das auf den Fertigungsschritten

• - Lithographie,
• - Galvanoformung und
• - Abformung

aufgebaut und am Kernforschungszentrum Karlsruhe (KfK) entwickelt worden ist.

Interessante Mikrostrukturprodukte sind Sensoren zur Messung von Beschleunigung, Durchfluß, Ultraschall, Feuchte u.ä., Mikromoto­ ren, mikropneumatische Bauelemente, Mikrostecker für die Mikro­ elektronik, mikrooptische Bauelemente, Faseroptiken, Mikro­ elektroden, Spinndüsen, Mikrofilter, Gleitlager, Membranen und vieles mehr.

Der wesentliche Fertigungsschritt des LIGA-Verfahrens ist die strukturgenaue Bestrahlung des eingesetzten Polymeren. Die prin­ zipielle Durchführbarkeit des LIGA-Verfahrens konnte anhand ein­ facher Mikrostrukturen mit einem speziell hergestellten Polyme­ thylmethacrylat (im folgenden PMMA genannt) nachgewiesen werden.

Für die Herstellung komplexer dreidimensionaler Strukturen mit Strukturtiefen von mehreren µm bis in den mm-Bereich nach dem oben genannten LIGA-Verfahren, muß das PMMA auf eine leitfähige Trägerplatte aufgebracht werden. Bisher wird hierfür ein speziel­ les Gießverfahren verwendet. Hierbei wird in Methylmethacrylat gelöstes PMMA als Gießharz verwendet, und mit speziellen Initia­ toren, Katalysatoren und Haftvermittlern in einem Rahmen in flüssiger Form auf die elektrisch leitfähige Trägerplatte aufge­ bracht und unter dem Einfluß von Licht oder Temperatur polymeri­ siert.

Durch die Verarbeitung eines Gießharzes ergeben sich die folgen­ den Probleme:

• a) der durch die Polymerisation des Gießharzes auf der Träger­ platte erzeugte Polymerisationsschrumpf führt zu Spannungen im Laminat;
• b) um diese Spannungen weitgehend zu vermeiden, müssen lange Temperprozesse bei der Polymerisation und Abkühlzeiten bis zu 24 Stunden in Kauf genommen werden;
• c) die Auswahlmöglichkeit der Polymere ist beschränkt. Es können nur Polymere, welche als Gießharze oder in Form ihrer Mono­ mere während des Laminierprozesses polymerisierbar sind, ver­ wendet werden;
• d) es können keine beliebigen, kommerziell erhältlichen Thermo­ plaste in beliebiger fester Form, z. B. als Granulat oder Pul­ ver verwendet werden;
• e) bislang werden nur PMMA nach dem oben beschriebenen Verfahren für das LIGA-Verfahren eingesetzt.

Bei der Herstellung komplexer dreidimensionaler Strukturen mit Strukturtiefen von mehreren µm bis in den mm-Bereich nach dem oben genannten LIGA-Verfahren hat sich gezeigt, daß PMMA einen hohen Bestrahlungsaufwand erfordert.

Weiter hat sich gezeigt, daß bei der Entwicklung der bestrahlten Polymeranteile mit einem geeigneten Entwicklermedium die unbe­ strahlten Polymeranteile quellen, wobei feine Mikrostrukturen zerstört werden können. Andererseits können gequollene Polymeran­ teile beim Austrocknen zu Spannungsrissen führen, die bei der Galvanik zu unbrauchbaren Mikrostrukturkörpern führen. Ursache für diese Probleme ist die hohe Lösungsmittelempfindlichkeit des PMMA.

In der DE-A 42 23 888, DE-A 42 23 887 und DE-A 42 29 244 wurden bereits das Aufschmelzen der strahlungsempfindlichen Polymeren und das Aufpressen auf den elektrisch leitfähigen Träger in einer speziellen Presse unter großem Druck vorgeschlagen. Dabei mußte zunächst das Resistpolymere hergestellt, gereinigt und charakte­ risiert werden, bevor es verarbeitet werden konnte. Für radikalisch polymerisierendes Methylmethacrylat wurde ein spe­ zieller Gießharzprozeß verwendet, der jedoch sehr anfällig gegen Veränderungen der Parameter ist, wobei leicht Spannungsrisse durch Volumenkontraktion auftreten können.

Für den Laminierprozeß durch Aufpressen ist, wie bereits oben er­ wähnt, die vorherige Isolierung des Polymeren notwendig. Außerdem werden hierzu Laminiertemperaturen benötigt, die über der Kristallisationstemperatur des Polymeren liegen, was oft eine Schwächung der Materialeigenschaften, beispielsweise der Schlag­ zähigkeit, zur Folge hat.

Nach dem neuen Verfahren sollten beliebige Polymere, insbesondere solche, wie sie in der deutschen Patentanmeldung DE-A-41 41 352 beschrieben werden, zu einem dauerhaften Polymer/Träger-Verbund verarbeitet werden können.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, ein Ver­ fahren zu entwickeln, das es erlaubt, diesen Polymer/Trägerver­ bund in möglichst kurzer Zeit, d. h. in wenigen Stunden oder gar in Minuten exakt und reproduzierbar herzustellen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, ein ver­ einfachtes Verfahren aufzuzeigen, bei dem die oben angeführten Nachteile vermieden werden. Dies gelingt überraschenderweise da­ durch, daß die Polymerisation der das Polymer aufbauenden Monome­ ren direkt auf dem elektrisch leitfähigen Träger durchgeführt wird, der sich ein kurzes Tempern über der Glastemperatur, jedoch weit unter der Schmelztemperatur des Polymeren anschließen kann. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Laminate mit verbesserten Eigenschaften, beispielsweise mit verbesserter Schlagzähigkeit, wesentlich einfacher herstellen.

Die Verwendung eines Rahmens, der die Abmessungen der Polymer­ schicht vorgibt, kann dabei zweckmäßig sein.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Her­ stellung von Mikrostrukturkörpern mit Strukturtiefen von mehreren
µm bis in den mm-Bereich durch bildmäßiges Bestrahlen von Polyme­ ren mit Röntgenstrahlen und Entfernen der bildmäßig bestrahlten Bereiche der Polymeren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Polymeren vor dem bildmäßigen Bestrahlen in Schichtdicken von mehreren µm bis in den mm-Bereich durch Polymerisation des oder der das Polymere aufbauenden Monomeren in Gegenwart eines Polyme­ risationskatalysators auf einem elektrisch leitfähigen Träger und gegebenenfalls Tempern bei Temperaturen zwischen Glastemperatur und Schmelztemperatur des Polymeren fest verankert werden.

Die Polymerisation läßt sich vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 100 und 180°C durchführen.

Als Röntgenstrahlen zum bildmäßigen Bestrahlen wird vorzugsweise Synchrotronstrahlung eingesetzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Her­ stellung von Mikrostrukturkörpern mit Strukturtiefen zwischen 3 µm und 2000 µm und lateralen Abmessungen von unter 10 µm.

Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Mikrostrukturkörpern, wobei vor dem Bestrahlen der Polymeren die Polymerisation in einem Rahmen erfolgt.

Zum erfindungsgemäßen Verfahren ist im einzelnen folgendes aus zu­ führen.

Im allgemeinen werden erfindungsgemäß Polymer-Schichtdicken von 3 bis 2000 µm, bevorzugt Schichtdicken von 40 bis 1000 µm herge­ stellt.

Der Rahmen kann einfach auf die Trägerplatte aufgelegt werden oder mit einer Halterung auf der Trägerplatte fixiert werden oder während des Preßvorgangs fest mit der Grundplatte verbunden wer­ den, z. B. durch Anschrauben. Um ein Unterwandern zwischen Rahmen und Grundplatte zu vermeiden, ist die Unterseite des Rahmens vor­ zugsweise poliert oder geläppt und besitzt eine Oberflächenrau­ higkeit unter 200 nm.

Der Rahmen kann zusätzlich seitliche Kanäle enthalten, durch die überschüssiges Monomer- bzw. Polymermaterial herausfließen kann.

Die Innenmaße des Rahmens, welche die Resistfläche vorgeben, kön­ nen je nach Bedarf gewählt werden. Beispielsweise können sie zwi­ schen 20 × 50 mm² bis 125 × 125 mm² betragen.

Als elektrisch leitfähige Träger oder Grundplatten können Metall­ platten, z. B. Kupfer, Aluminium, Stahl, beispielsweise mit den Abmessungen 70 bis 150 × 50 bis 150 × 2 bis 15 mm³, vorzugsweise mit den Abmessungen 100 bis 125 × 70 bis 125 × 8 mm³ verwendet werden. Vorzugsweise werden Kupferplatten mit speziell für das jeweils verwendete Polymer adaptierten, elektrisch leitfähigen Haftschichten mit Schichtdicken zwischen 1 und 10 µm, vorzugsweise zwischen 3,5 und 6 µm verwendet. Besonders bevorzugt werden elek­ trisch leitfähige Haftschichten aus oberflächlich oxidiertem Ti­ tan verwendet.

Als Monomere eignen sich für das erfindungsgemäße Verfahren z. B. vorzugsweise Monomere für aliphatische Polyester, wie z. B. L-Lactid und/oder Glycolid, wie in DE 41 41 352 beschrieben, oder andere Monomere, die sich ringöffnend polymerisieren lassen, wie z. B. Trimethylencarbonat.

Als Polymerisationskatalysatoren eignen sich z. B. im Falle der bevorzugten Monomeren zur Herstellung aliphatischer Polyester Zinn-II-Octoat, Dibutylzinndilaurat, BF₃-Ätherat, Aluminiumalkyle bzw. Antimonhexafluorid.

Diese Polymerisationskatalysatoren werden im allgemeinen in Men­ gen von 0,005 bis 1 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge an Mono­ meren, zugesetzt. Die Polymerisationstemperaturen liegen im all­ gemeinen zwischen 100 und 180°C, vorzugsweise zwischen 100 und 130°C.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Laminate können Schichtdicken bis zu 2000 µm, vorzugsweise zwischen 40 und 1000 µm besitzen. Die Oberflächenrauhigkeit beträgt unter 200 nm. Nach Überarbeitung der Polymerschicht durch Mikrofräsen kann die Gesamtabweichung der Schichtdicke über die gesamte Resistfläche unter 15 µm eingestellt werden.

Nach der Bestrahlung mit Synchrotronstrahlung durch spezielle Röntgenmasken und der Entwicklung der Polymeren in Form der er­ findungsgemäß hergestellten Polymer-Träger-Verbunde erhält man die Mikrostrukturen in der gewünschten Präzision.

Da sich die Polymeren auf einer elektrisch leitfähigen Grund­ platte befinden, können anschließend die im LIGA-Verfahren übli­ chen Folgeschritte Galvanoformung und Abformung durchgeführt wer­ den.

Besondere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind deutlich verringerter Zeitaufwand, niedrige Verarbeitungstemperaturen so wie erhöhte Schlagzähigkeit der erfindungsgemäß hergestellten Polymeren.

Beispiel 1

Es wurde eine innige Mischung aus L-Lactid und Glykolid aufge­ schmolzen (molares Mischungsverhältnis 9 : 1), Zinn-II-Octoat in einer Konzentration von 0,1 mol-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Monomeren, zugefügt und in eine Form der Abmessung 30 × 80 × 0,1 mm- gegossen. Die Form wurde dann verschlossen und zwei Stunden bei 120°C gehalten.

Dieses Laminat und auch freistehende Prüfkörper zeigten nach bildmäßiger Bestrahlung mit einem Synchrotronstrahl und anschlie­ ßender Entwicklung sehr gute Abtragstiefen und Materialeigen­ schaften, sowie nur geringen Dunkelabtrag, beobachtbar an der Scharfkantigkeit freistehender Flügelstrukturen und spitzwinkelig zulaufenden Ecken.

Vergleichsbeispiel

Die gleiche Form wie in Beispiel 1 wurde mit Polymergranulat aus Poly-(L-Lactid-co-Glycolid) (molares Verhältnis 90 : 10) gefüllt, mit einem Preß-Stempel verschlossen, zur Herstellung einer gleichmäßigen Schmelze auf 240°C vorgeheizt und anschließend mit 100 bar Druck während 2 min gepreßt. Dieses Laminat zeigte nach bildmäßiger Bestrahlung und Entwicklung deutlichen Dunkelabtrag, d. h. z. B. Verlust der Scharfkantigkeit an feinen Dreiecksflügel­ säulen.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturkörpern mit Struk­ turtiefen von mehreren µm bis in den mm-Bereich durch bild­ mäßiges Bestrahlen von Polymeren mit Röntgenstrahlen und Ent­ fernen der bildmäßig bestrahlten Bereiche der Polymeren, da­ durch gekennzeichnet, daß die Polymeren vor dem bildmäßigen Bestrahlen in Schichtdicken von mehreren µm bis in den mm- Bereich durch Polymerisation des oder der das Polymere auf­ bauenden Monomeren in Gegenwart eines Polymerisationskataly­ sators auf einem elektrisch leitfähigen Träger und gegebenen­ falls Tempern bei Temperaturen zwischen Glastemperatur und Schmelztemperatur des Polymeren fest verankert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerisation bei 100 bis 180°C durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Monomere L-Lactid oder Glycolid oder Gemische aus diesen eingesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Polymerisationskatalysator Zinn-II-octoat eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Röntgenstrahlen zum bildmäßigen Bestrahlen Synchrotronstrahlung eingesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mikrostrukturkörper mit Strukturtiefen zwischen 3 µm und 2000 µm und lateralen Abmessungen von unter 10 µm hergestellt werden.