DE4406600C1 - Verfahren zur Herstellung eines Filters für elektromagnetische Strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Filters für elektromagnetische Strahlung gemäß dem Patent­ anspruch.

Die Lochstrukturen können eine beliebige Form aufweisen. Sie können beispielsweise als Tripole, Loche, Kreuze, Kreise, Rechtecke etc. gestaltet sein. Die Dimension der Lochstruktu­ ren wird je nach Anwendungszweck des Filters im Bereich zwi­ schen einigen 100 µm bis zu einigen 100 nm gewählt. Die erfin­ dungsgemäß hergestellten Filter können z. B. als Infrarot- oder Mikrowellenfilter eingesetzt werden.

Ein Bandpaßfilter für elektromagnetische Strahlung, das aus einer Schicht mit periodisch angeordneten, tripolförmigen Öff­ nungen besteht, ist aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 90 14 927.0 bekannt. Das Herstellungsverfahren geht von einem mehr­ schichtigen oder zusammengesetzten Substrat aus.

Wird ein mehrschichtiges Substrat eingesetzt, so wird durch ein lithographisches Verfahren mit Hilfe eines strahlen­ empfindlichen Kunststoffs direkt auf dem Substrat aus dem Kunststoff die Komplementärstruktur der Öffnungen hergestellt. Der Raum zwischen den Komplementärstrukturen wird anschließend galvanisch mit einem Metall aufgefüllt, wodurch die Schicht mit den periodisch angeordneten Öffnungen entsteht. Die Schicht wird nach Entfernen der Komplementärstruktur auf einen Rahmenträger aufgeklebt und vom Substrat getrennt. Der Rahmen­ träger läßt sich auch herstellen, indem ein zusammengesetztes Substrat eingesetzt wird. Dieses Substrat besteht aus einem selektiv entfernbaren Kern, der von einem Ring umgeben ist, wobei der Ring den Rahmenträger darstellt und aus dem Metall besteht, das galvanisch abgeschieden wird. In diesem Fall be­ steht somit der Rahmenträger aus einem Teil des Substrats.

Ein weiteres Bandpaßfilter für elektromagnetische Strahlung ist in der DE 40 34 364 A1 beschrieben. Die Herstellung er­ folgt entsprechend dem im zitierten Gebrauchsmuster beschrie­ benen Verfahren.

Gegenstand der DE 40 34 365 A1 ist ein Verfahren zur Herstel­ lung freitragender Mikrostrukturen. Solche freitragenden Mi­ krostrukturen sind z. B. Infrarotfilter oder Hochpaßfilter für den fernen Infrarotbereich. Zur Herstellung dieser Filter wer­ den mit einem lithographischen Verfahren aus einem strahlen­ empfindlichen Kunststoff die Negativformen der Öffnungen her­ gestellt, die Zwischenräume der Negativformen galvanisch mit einem Metall, z. B. mit Gold, aufgefüllt und die metallische Struktur auf einen Rahmen geklebt.

Aufgabe der Erfindung ist, ein weiteres Verfahren vorzuschla­ gen, mit dessen Hilfe sich ein Filter für elektromagnetische Strahlung herstellen läßt. Das Verfahren soll es insbesondere ermöglichen, den Blendenring zusammen mit der periodisch strukturierten Membran in einem Schritt herzustellen, so daß auf das Aufkleben der Membran auf einen Rahmen oder auf den Einsatz eines zusammengesetzten Substrats verzichtet werden kann.

Die Aufgabe wird durch das im Patentanspruch beschriebene Ver­ fahren gelöst.

In der Figur ist eine Ausführungsform eines bekannten Bandpaß­ filters, das noch mit dem Substrat verbunden ist, dargestellt. Anhand dieser Figur wird im folgenden das Herstellungsverfah­ ren erläutert.

Das Verfahren geht von einem Substrat 5 mit einer ebenen, elektrisch leitenden Oberfläche aus. Als Substrat läßt sich z. B. eine Metallplatte oder eine Keramikplatte mit metallisier­ ter Oberfläche einsetzen. Die elektrisch leitende Oberfläche kann auch aus Kohlenstoff bestehen. Die Oberfläche muß nur eine galvanische Abscheidung von Metall oder einer Metallegie­ rung ermöglichen; weitere Anforderungen braucht das Substrat im Prinzip nicht erfüllen. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn die Oberfläche des Substrats aus einer selektiv entfernbaren, elektrisch leitenden Trennschicht, z. B. einer Titanschicht besteht, da das Substrat im vorletzten Verfahrensschritt vom Blendenring 4 getrennt werden muß.

Auf der Oberfläche des Substrats 5 wird nun einen Schicht ei­ nes selektiv entfernbaren, elektrisch nicht leitenden Stoffs aufgetragen. Die Dicke dieser Schicht bestimmt (zusammen mit dem nachfolgend aufzutragenden Überzug) die Höhe des Blenden­ rings und ist an sich frei wählbar. Da der Blendenring 4 dazu dient, die Membran 2 in einer mechanisch stabilen Weise aufzu­ spannen und zu stützen, soll eine entsprechend dicke Schicht vorgesehen werden. Die selektiv entfernbare Schicht kann prin­ zipiell aus einer Keramik bestehen. Im allgemeinen wird man jedoch als selektiv entfernbaren Stoff einen Kunststoff wäh­ len, der später durch Auflösen in einem Lösungsmittel vom gal­ vanisch abgeschiedenen Metall abtrennbar ist.

Die freie Oberfläche der Schicht des selektiv entfernbaren Ma­ terials muß anschließend mit einem Überzug eines elektrisch leitenden Materials, z. B. mit einer Metall- oder Kohlenstoff­ schicht, versehen werden. Vorzugsweise wird die freie Oberflä­ che mit Hilfe der bekannten Verfahren (Aufstäuben, Aufdampfen etc.) mit einem metallischen Überzug versehen. Der elektrisch leitende Überzug dient ebenfalls der galvanischen Abscheidung von Metall; auf ihm wird die dem Substrat 5 gegenüberliegende Seite der Membran 2 aufgebaut. Es reicht aus, wenn der Überzug dünn, z. B. wenige nm dick, ausgeführt wird. Auch der Überzug soll sich selektiv, z. B. durch Abätzen, gegenüber dem in ei­ nem späteren Verfahrensschritt galvanisch abgeschiedenen Me­ tall oder der Metallegierung entfernen lassen.

Auf dem elektrisch leitenden Überzug wird nun eine Schicht ei­ nes strahlenempfindlichen Kunststoffs aufgetragen. Die Dicke dieser Schicht übersteigt vorzugsweise die vorgesehene Dicke der Membran 2, damit für die spätere galvanische Abscheidung von Metall eine wannenartige Form gebildet werden kann, die eine scharfe Außenbegrenzung der Membran 2 ermöglicht. Als strahlenempfindlicher Kunststoff können die bekannten Röntgen­ resists oder Photolacke Verwendung finden.

Nun wird ein ringförmiger Graben hergestellt, der die Form des Blendenrings 4, insbesondere dessen Außendurchmesser und des­ sen Breite, aufweist und der daher ein Negativabbild des Blen­ denrings 4 darstellt. Hierzu werden die Schichten des strah­ lenempfindlichen Kunststoffs, des Überzugs und des selektiv entfernbaren Stoffs kreisringförmig abgetragen, bis die elek­ trisch leitende Oberfläche des Substrats 5 freiliegt. Der ringförmige Graben wird vorzugsweise durch mechanische Bear­ beitung (Drehen, Fräsen etc.) hergestellt. Besteht die Schicht des selektiv entfernbaren Stoffes ebenfalls aus einem strah­ lenempfindlichen, auf der ursprünglich freien Oberfläche mit einem z. B. metallischen Überzug versehenen Kunststoff, können prinzipiell auch lithographische Verfahren angewendet werden. Hierbei kann der metallische Überzug, der in diesem Fall die beiden Schichten des strahlenempfindlichen Kunststoffs trennt, im Bereich des Grabens etwa durch Abätzen entfernt werden.

Innerhalb des ringförmigen Grabens wird nun die Schicht des strahlenempfindlichen Kunststoffs durch ein Lithographiever­ fahren strukturiert. Die Strukturierung erfolgt je nach Art des strahlenempfindlichen Kunststoffs mit Röntgenlicht oder UV-Licht z. B. über eine entsprechend gestaltete Maske. Je nach Art des strahlenempfindlichen Kunststoffs werden die be­ strahlten oder die nicht bestrahlten Teile der Schicht her­ ausentwickelt. Die Strukturierung erfolgt in allen Fällen in der Weise, daß von der Schicht des strahlenempfindlichen Kunststoffs nur diejenigen Teile bestehen bleiben, die später die Lochstrukturen 1 in der Membran 2 ergeben. Durch die Strukturierung wird somit ein Negativabbild der Membran 2 ge­ schaffen, wobei säulenförmige, voneinander getrennte Struktu­ ren mit der Gestalt der Lochstrukturen bestehen bleiben. Der Raum, den später der Werkstoff der Membran 2 einnimmt, wird freigelegt.

Nun wird, beginnend auf der elektrisch leitenden Oberfläche des Substrats 5 im Bereich des ringförmigen Grabens, galva­ nisch ein Metall oder eine Metallegierung abgeschieden. Hierzu wird die elektrisch leitende Oberfläche in einem galvanischen Bad als Kathode geschaltet. Das galvanisch abgeschiedene Me­ tall füllt schließlich den ringförmigen Graben vollständig aus. Dabei wird der elektrisch leitende Überzug auf dem selek­ tiv entfernbaren Stoff kontaktiert, wodurch dieser Überzug ebenfalls als Kathode wirkt. Die galvanische Abscheidung des Metalls erfolgt deshalb ab diesem Zeitpunkt sowohl oberhalb des ringförmigen Grabens als auch innerhalb des Grabenrings im Bereich der durch die Strukturierung freigelegten Teile des Überzugs aus elektrisch leitendem Material. Die hier bestehen gebliebenen säulenförmigen Strukturen aus dem strahlenempfind­ lichen Kunststoff werden vom galvanisch abgeschiedenen Metall eingehüllt, wodurch die Membran 2 gebildet wird. Die Dicke der Membran 2 läßt sich durch die Dauer der galvanischen Abschei­ dung einstellen. Im Bereich außerhalb des ringförmigen Grabens bildet die unverändert bestehen gebliebene Schicht des strah­ lenempfindlichen Kunststoffs eine Wandfläche, die ein Seiten­ wachstum des galvanisch abgeschiedenen Metalls in diesem Be­ reich verhindert und die Ringform des Blendenrings 4 ein­ schließlich der Membran 2 sicherstellt. Wie erwähnt, wird die Höhe der Schicht des strahlenempfindlichen Kunststoffs vor­ zugsweise dicker gewählt als die Dicke der Membran 2.

Anschließend wird die strukturierte Schicht des strahlen­ empfindlichen Kunststoffs, d. h. die säulenartigen Strukturen innerhalb des ringförmigen Grabens und der (nicht struktu­ rierte) Schichtbereich außerhalb des Grabens entfernt. Das Entfernen erfolgt vorzugsweise mit einem Lösungsmittel. Gege­ benenfalls kann die strukturierte Schicht des strahlenempfind­ lichen Kunststoffs flutbestrahlt und in der üblichen Weise herausentwickelt werden.

Die anschließende Abtrennung des Substrats 5 wird wie erwähnt durch das Vorsehen einer Trennschicht auf dem Substrat 5 er­ leichtert. Ohne Trennschicht kann das Substrat z. B. mecha­ nisch abgetragen oder insgesamt aufgelöst werden.

Vor oder nach dem Abtrennen des Substrats 5 wird der Überzug zumindest an den die Lochstrukturen 1 verschließenden Stellen entfernt. Vor dem Abtrennen des Substrats 5 sind diese Stellen durch die Lochstrukturen 1 zugänglich. In diesem Fall können sie durch selektives Ätzen, bei dem das galvanisch abgeschie­ dene Metall nicht angegriffen wird, entfernt werden, so daß die Lochstrukturen 1 offen sind. Stört der Überzug insgesamt, so kann er nach der Entfernung des Substrats 5 und des selek­ tiv entfernbaren Stoffs von der anderen Seite aus etwa durch Beschuß mit Argonionen (Absputtern im Argonplasma) insgesamt entfernt werden.

Der selektiv entfernbare Stoff läßt sich durch verschiedene Verfahren abtrennen. Kunststoffe als selektiv entfernbarer Stoff können in einem Lösungsmittel gelöst oder auch herausge­ schmolzen werden. Eine Keramik läßt sich z. B. durch Abätzen mit einer Säure entfernen. Selbstverständlich darf die vorge­ sehene Säure das galvanisch abgeschiedene Metall nicht angrei­ fen.

Die Erfindung wird im folgenden durch ein Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Ausführungsbeispiel

Auf ein Kupfersubstrat 5 wird zunächst eine 2 µm dicke Titan­ schicht als Haftschicht aufgestäubt (aufgesputtert) und naßchemisch oxidiert. Danach wird eine 1 mm dicke, unvernetzte Schicht aus Polymethylmethacrylat (PMMA) aufpolymerisiert. Diese Schicht wird mit einer 3 µm dicken aufgestäubten und naßchemisch oxidierten Wolframschicht bedeckt. Anschließend wird die Wolframoxidschicht mit 30 µm PMMA beschichtet. Diese PMMA-Schicht wird nunmehr über eine Maske mit Röntgenlicht be­ strahlt, so daß alle Bereiche, die später von der Membran 2 eingenommen werden, vom Röntgenlicht erfaßt werden. Die Stel­ len, die in der Membran 2 die Lochstrukturen 1 bilden, werden nicht bestrahlt.

Vor dem Entwickeln der bestrahlten Bereiche der PMMA-Schicht wird durch Fräsen ein ringförmiger Graben um die bestrahlten Bereiche angelegt, der bis zur Oberfläche des Substrats reicht. Anschließend erfolgt die Entwicklung der bestrahlten Bereiche der PMMA-Schicht, so daß säulenförmige, inselartig voneinander getrennte Strukturen aus PMMA bestehen bleiben, die die Form der Lochstrukturen 1 aufweisen.

Ausgehend vom Substrat wird zunächst der ringförmige Graben mit galvanisch abgeschiedenem Gold gefüllt. Erreicht der gal­ vanische Niederschlag die Wolframschicht, wird diese elek­ trisch kontaktiert; sie wirkt ab diesem Zeitpunkt ebenfalls als Kathode. Der galvanische Niederschlag bedeckt daher auch die Wolframschicht zwischen den säulenförmigen PMMA-Struktu­ ren. Die galvanische Abscheidung von Gold wird fortgesetzt, bis der Bereich über der Wolframschicht 20 µm hoch mit Gold überdeckt ist.

Danach wird das Substrat an der Trennschicht durch selektives Ätzen mit einer Kupfer-Carbamat-Lösung von der Goldstruktur getrennt. Anschließend wird das gesamte PMMA in Ethylacetat aufgelöst. Die Wolframschicht kann durch selektives Abätzen mit H₂O₂ oder durch Absputtern im Argonplasma entfernt werden. Reste der Titanschicht werden mit einer 2%igen Flußsäure ent­ fernt. Die erzeugte Goldstruktur besteht aus dem Blendenring 4 und der mit Lochstrukturen 1 versehenen Membran 2.

Wird eine strahlenempfindliche Schicht aus PMMA verwendet, die dicker als 50 µm ist, so ist es vorteilhaft, als selektiv ent­ fernbaren Stoff statt der 1 mm dicken PMMA-Schicht eine 1 mm dicke Schicht aus Polyamid aufzupolymerisieren oder aufzukle­ ben. Das Polyamid wird durch 2,2,2-Trifluorethanol selektiv entfernt.

Claims (1)

1. Verfahren zur Herstellung eines Filters für elektromagnetische Strahlung, das eine über einen Blendenring (4) aufgespannte Membran (2) mit periodisch angeordneten Lochstrukturen (1) aufweist, bei dem man

   • a) ein Substrat (5) mit einer ebenen, elektrisch leitenden Oberfläche herstellt,
   • b) auf der Oberfläche des Substrats (5) eine Schicht eines se­ lektiv entfernbaren, elektrisch nichtleitenden Stoffs auf­ trägt,
   • c) die freie Oberfläche des selektiv entfernbaren Stoffs mit einem Überzug aus einem elektrisch leitenden Material ver­ sieht,
   • d) auf dem Überzug aus dem elektrisch leitenden Material eine Schicht eines strahlenempfindlichen Kunststoffs aufträgt,
   • e) durch die Schichten des strahlenempfindlichen Kunststoffs, des Überzugs und des selektiv entfernbaren Stoffs einen ringförmigen Graben einbringt, der bis auf die Oberfläche des Substrats (5) reicht und ein Negativabbild des Blenden­ rings (4) darstellt,
   • f) innerhalb des ringförmigen Grabens die Schicht des strah­ lenempfindlichen Kunststoffs durch ein Lithogra­ phieverfahren in der Weise strukturiert, daß von dem strah­ lenempfindlichen Kunststoff isolierte, periodisch angeord­ nete Strukturen bestehen bleiben, deren Form den Loch­ strukturen (1) entsprechen,
   • g) den ringförmigen Graben und den Raum zwischen den iso­ lierten, periodisch angeordneten Strukturen durch galva­ nische Abscheidung mit einem Metall oder einer Metalle­ gierung auffüllt,
   • h) die strukturierte Schicht des strahlenempfindlichen Kunst­ stoffs entfernt,
   • i) das Substrat abtrennt,
   • j) den Überzug zumindest an den die Lochstrukturen ver­ schließenden Stellen entfernt und
   • k) den selektiv entfernbaren Stoff in einer Weise abtrennt, daß das galvanisch abgeschiedene Metall nicht angegriffen wird.