DE4400315C1

DE4400315C1 - Verfahren zum stufenweisen Aufbau von Mikrostrukturkörpern und damit hergestellter Mikrostrukturkörper

Info

Publication number: DE4400315C1
Application number: DE4400315A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Schubert; Heike Neumann; Joachim Dr Schulz; Wilhelm Dr Bier; Norbert Kapitza
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1994-01-07
Filing date: 1994-01-07
Publication date: 1995-01-12
Anticipated expiration: 2014-01-08
Also published as: EP0797790A1; WO1995018991A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum stufenweisen Aufbau von Mikrostrukturkörpern unter Verwendung lithographischer Me thoden gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie einen danach hergestellten Mikrostrukturkörper.

Aus der DE-29 33 570 C3 ist es bekannt, auf einer elektrisch leitfähigen Grundplatte eine strahlenempfindliche Schicht, z. B. aus PMMA, aufzubringen, diese Schicht partiell über eine strukturierte Maske zu bestrahlen, das Schichtmaterial der be strahlten Bereiche mit einem Lösungsmittel zu entfernen und die so entstandenen Hohlräume galvanisch mit einem Metall auf zufüllen. Sodann wird die der Strahlenquelle zugewandte Ober fläche so oft mit strahlenempfindlichem Material beschichtet und der sich jeweils hieran anschließende Vorgang des partiel len Bestrahlens und Entfernens von Schichtmaterial sowie des Auffüllens mit Metall so oft wiederholt, bis der stufenweise aufgebaute Körper eine vorgegebene Höhe erreicht hat. Hierauf wird das restliche, unbestrahlte Schichtmaterial entfernt, so daß man einen metallischen Mikrostrukturkörper erhält. Durch diesen stufenweisen Aufbau können Aspektverhältnisse bei den Mikrostrukturen erzielt werden, die um ein Vielfaches höher sind als bei den vorbekannten lithographischen Methoden. Der erforderliche Aufwand ist allerdings auch nicht unbeträcht lich, da nach jedem Beschichtungs- und Bestrahlungsschritt die Behandlung mit einem Entwickler sowie das Galvanisieren durch geführt werden müssen. Ein weiteres Problem besteht darin, daß bei den geforderten engen Toleranzen der Mikrostrukturen prak tisch nur die extrem parallele Synchrotronstrahlung als Strahlenquelle in Betracht kommt, um das Eindringen divergie render Strahlung in bereits behandelte Schichten auszu schließen.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, bei dem gattungsgemäßen Verfah ren zum stufenweisen Aufbau von Mikrostrukturkörpern mittels lithographischer Methoden einzelne Behandlungsschritte zu ver einfachen und ein breites Anwendungsspektrum für die herzu stellenden Mikrostrukturkörper zu ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im Kennzeichen der Pa tentansprüche genannten Maßnahmen vorgeschlagen.

Durch das Metallisieren der gesamten Oberfläche einer Schicht jeweils nach dem Bestrahlen dieser Schicht werden die Strah len, mit denen die nächste Schicht bestrahlt wird, von der so aufgebrachten Metallschicht reflektiert oder absorbiert. Man vermeidet dadurch, daß bereits bestrahlte Schichten nochmals belichtet werden und dabei z. B. durch Strahldivergenzen oder durch Toleranzen bei der Maskenpositionierung unerwünschte, nicht zu bestrahlende Bereiche erfaßt werden. Auch ermöglichen diese metallischen Sperrschichten die Herstellung von Mikro strukturen mit stufenweise veränderlichem Querschnitt. Auch können die Querschnitte von Stufe zu Stufe überlappend ver schoben werden, so daß schräg verlaufende Kanäle, auch in Ge stalt von Verzweigungen, entstehen. Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung wird vor allem die Anwendung von UV-Licht aus handelsüblichen, preiswerten UV-Quellen ermöglicht, ohne daß Abstriche in bezug auf ein hohes Aspektverhältnis bei la teralen Abmessungen im µm-Bereich gemacht werden müssen. Das Metallisieren erfolgt mit bekannten Methoden, z. B. durch Auf dampfen. Das schichtweise Entwickeln und Abätzen kann von zwei Seiten gleichzeitig vorgenommen werden, wodurch die Ferti gungszeit bezüglich dieser Schritte entsprechend verkürzt wird. Selbstverständlich kann im Bedarfsfall der im wesentli chen aus Kunststoff bestehende Mikrostrukturkörper in bekann ter Weise auch als Form eingesetzt werden, wobei deren Hohl räume galvanisch unter Verwendung einer metallischen Substrat platte als Elektrode mit Metall aufgefüllt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert

Die Fig. 1a, 1b und 1c veranschaulichen schematisch und in stark vergrößertem Maßstab die erfindungsgemäße Fertigung;

Die Fig. 2 zeigt eine REM-Aufnahme eines Mikrostrukturkörpers mit einer stufenförmigen Öffnung;

Die Fig. 3 zeigt als Beispiel einen erfindungsgemäß herge stellten Mikrostrukturkörper in Gestalt eines druckgesteuerten Mikroventils.

Gemäß Fig. 1a wird auf ein Substrat 1, z. B. eine Metall platte, eine strahlenempfindliche Schicht 2a aufgebracht. Diese Schicht 2a wird über eine strukturierte, gegenüber dem Substrat 1 justierte Maske 3 mit UV-Licht bestrahlt (siehe Pfeile).

Die Strukturen 3a der Maske 3 entsprechen dabei dem herzustel lenden Querschnitt des Mikrostrukturkörpers bzw. der betref fenden Mikrostrukturkörperschicht. Im Falle der Verwendung von UV-Licht als Strahlenquelle sollte die UV-lichtempfindliche Schicht 2a nicht dicker als 80 µm sein. Nach dem Bestrahlen wird die freie, der Maske 3 zugewandte Oberfläche 4a der Schicht 2a metallisiert. Zum Beispiel wird eine einige hundert Nano meter dicke Metallschicht 5a, z. B. aus Silber, im Vakuum auf gedampft. Sodann wird eine weitere strahlenempfindliche Schicht 2b aufgebracht, über die Maske 3 bestrahlt (siehe Fig. 1b) und auf der freien Oberfläche 4b metallisiert womit eine Metallschicht 5b entsteht. Dieses stufenweise Vorgehen wird so lange fortgesetzt, bis die gestapelten Schichten 2b, c, d, e zusammen mit den metallischen Zwischenschichten 5a, b, c, d (siehe Fig. 1c) die gewünschte Höhe des herzustellenden Mi krostrukturkörpers haben. Anschließend werden die bestrahlten Bereiche der obersten Schicht 2e mit einem flüssigen Entwick ler aufgelöst und entfernt und die unter diesen Bereichen lie gende, partiell freigelegte Metallschicht 5d weggeätzt. Dieses abwechselnde Entwickeln und Ätzen wird nun von oben nach unten bei den nachfolgenden Schichten 2d/5c, 2c/5b, 2b/5a, 2a fort gesetzt, so daß ein auf der Grundplatte 1 aufgebauter Mi krostrukturkörper 6 entsteht, bei dem die Querschnitte der Mi krostrukturen der lateralen Ausdehnung der Maskenstrukturen 3a entsprechen (Fig. 1c). Nach jedem Entwickeln und Ätzen wird mit Wasser gespült.

Die einzelnen Schichten 2a bis 2e dürfen nur so dick sein, daß unvermeidliche Divergenzen der Strahlung zu keiner Qualitäts einbuße, d. h. einer Überschreitung vorgegebener Toleranzen führen. Dabei besteht ein besonderer Vorteil des Verfahrens darin, daß die durchgehenden, metallischen Zwischenschichten 5a bis 5d bezüglich den jeweils darunter liegenden, strahlen empfindlichen Schichten 2a bis 2d eine die Strahlung absorbie rende oder reflektierende Sperrschicht bilden. Dadurch können sich Strahlungsdivergenzen oder Abweichungen infolge von Ju stiertoleranzen der Maske nicht mehr auf die unter der jewei ligen, metallischen Sperrschicht gelegenen, unbestrahlten Be reiche der strahlenempfindlichen Schichten auswirken.

Die metallischen Zwischenschichten gestatten es auch auf be sonders einfache Weise, durch Verwendung unterschiedlicher Masken Mikrostrukturkörper herzustellen, deren Mikrostrukturen stufenweise unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Anstelle von Metall können auch andere UV-Licht absorbierende Stoffe verwendet werden, die sich selektiv gegenüber dem strahlen empfindlichen Kunststoff entfernen lassen.

Die Fig. 2 zeigt eine REM-Aufnahme einer zweischichtigen, mit UV-Strahlung hergestellten Mikrostruktur, für deren Herstel lung zwei Masken mit unterschiedlichen Absorberstrukturen ver wendet wurden. In dem Beispiel sind die Seitenwände der beiden Schichten geneigt.

In vielen Anwendungsfällen können die nach dem erfindungsge mäßen Verfahren hergestellten Mikrostrukturkörper unmittelbar für bestimmte Zwecke verwendet werden, z. B. als mikroporöse Filter. Sofern als fertiger Mikrostrukturkörper ein metalli scher Gegenstand gefordert wird, z. B. ein mit Mikroröhren be stückter Wärmetauscher, sind die Zwischenräume zwischen den Mikrostrukturen in bekannter Weise galvanisch mit Metall auf zufüllen, wobei die metallische Grundplatte 1 als Elektrode dient. Nach dem Auffüllen mit Metall werden die vorerwähnten Schichten entfernt.

Fig. 3 zeigt ein Mikroventil, dessen Herstellungsverfahren im folgenden beschrieben wird. Zunächst werden eine oder mehrere Schichten 30a bestrahlt zum Zwecke einer späteren Herstellung einer Öffnung 30b. Eine zweite Schicht 31a dient zur späteren Herstellung eines mit der Öffnung 30b verbundenen Hohlraumes 31b, nachdem die Schicht 30a zuvor metallisiert wurde. Darauf wird auf die Schicht 31a eine Metallschicht 31c aufgebracht, die so dick ist, daß sie, wie aus Fig. 3 ersichtlich, die Funktion einer druckfesten Membran übernehmen kann. Nun wird die nächste Schicht 32 aus zwei unterschiedlichen Richtungen so bestrahlt, daß nach dem späteren Entwickeln außer einem Hohlraum 32a mit Öffnung 32b auf der Membran 31c ein aus Kunststoff, d. i. das strahlenempfindliche Material, bestehen der Ventilkegel 32c verbleibt. An die Schicht 32 schließt sich eine Schicht 33 an, deren Aussparung 33a mit der Form des Ven tilkegels 32c korrespondiert. Den oberen Abschluß bildet eine Deckplatte 34 mit einer Ventilöffnung 34a. In diesem Fall er folgt das Entwickeln der bestrahlten Bereiche 30b, 31b, bzw. 32a, 33a, 34a und das Abätzen der dazwischen liegenden Metall schichten von zwei gegenüberliegenden Seiten aus, bezogen auf die Fig. 3 also von unten und von oben. Belassen wird in die sem Falle selbstverständlich die metallische Membrane 31c zwi schen den Hohlräumen 31b und 32a. Durch Beaufschlagen des Hohlraumes 31b mit Druck oder Unterdruck wird die Membran 31c mit dem Ventilkegel 32 gegenüber der korrespondierenden Aus sparung 33a in der Schicht 33 bewegt. Damit kann ein in die Öffnung 32b eintretendes strömendes Medium gesteuert werden. Anstelle der metallischen Membran 31c kann in entsprechender Weise auch eine geeignete Kunststoffschicht als Membran belas sen werden. Mikroventile dieser Art werden beispielsweise in der Medizintechnik benötigt.

Bezugszeichenliste

1 Substrat
2a Schicht
2b Schicht
2c Schicht
2d Schicht
2e Schicht
3 Maske
3a Strukturen
4a Oberfläche
4b freie Oberfläche
5a Metallschicht
5b Metallschicht
5c Metallschicht
5d Metallschicht
6 Mikrostrukturkörper
30a Schicht
30b Öffnung
31a zweite Schicht
31b Hohlraum
31c Metallschicht, Membran
32 Schicht
32a Hohlraum
32b Öffnung
32c Ventilkegel
33 Schicht
33a Aussparung
34 Deckplatte
34a Ventilöffnung

Claims

1. Verfahren zum stufenweisen Aufbau von Mikrostrukturkörpern mittels lithographischer Methoden, bei dem strahlungs empfindliche Schichten zu einem festen Stapel bis zu einer Höhe übereinander gebracht werden, die der Höhe des herzu stellenden Mikrostrukturkörpers entspricht, wobei jede Schicht nach ihrem Aufbringen über eine strukturierte Maske bestrahlt wird, und bei dem die bestrahlten Bereiche der Schichten mittels einer Entwicklerlösung entfernt werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) nach dem Bestrahlen je einer Schicht wird deren gesamte, freie Oberfläche metallisiert, ausgenommen die freie Oberfläche der zuletzt aufgebrachten Schicht;
b) nach dem schichtweisen Bestrahlen und Metallisieren ge mäß Schritt a) wird die der Entwicklerlösung zugängli che, strahlungsempfindliche Schicht entwickelt, und die Metallschicht auf der durch das Entwickeln partiell freigelegten Oberfläche der darunterliegenden strah lungsempfindlichen Schicht weggeätzt,
c) dieses stufenweise Entwickeln und Ätzen der Schichten gemäß Schritt b) wird so lange wiederholt, bis alle zu behandelnden Schichten entwickelt und geätzt sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schichtweise Entwickeln der strahlungsempfindlichen Schich ten und das partielle Wegätzen der Metallschichten von bei den Seiten des Stapels zur Stapelmitte hin erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das separate Bestrahlen der einzelnen Schichten unter schiedliche Masken verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bestrahlen UV-Licht verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der strahlungsempfindlichen Schichten durch be kannte Aufdampftechniken metallisiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in nerhalb des Stapels eine Metallschicht oder eine Kunst stoffschicht zur Ausbildung einer Membrane belassen wird.

7. Mikrostrukturkörper hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen als Mikroventil verwendbaren mehrschichtigen Körper mit zwei Hohlräumen, die durch eine Membran voneinander ge trennt sind, wobei der eine (untere) Hohlraum eine oder mehrere Öffnungen aufweist, über die auf die eine (Un ter-)Seite der Membran ein Druck oder Unterdruck ausgeübt werden kann, und der andere (obere) Hohlraum zum Durchlei ten eines strömenden Mediums ausgebildet ist, wobei die an dere (Ober-) Seite der Membran einen aus dem Schichtmate rial geformten Ventilkegel trägt, dessen Mantel mit den Sitzflächen in den eine Durchflußöffnung bildenden, an den oberen Hohlraum angrenzenden Schichten korrespondiert.