DE4420996C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von mikromechanischen und mikrooptischen Bauelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von mikro­ mechanischen und mikrooptischen Bauelementen sowie komplexen Mikrosystemen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2.

• a) Mikromechanische und mikrooptische Bauteile werden heute mit folgenden Verfahren hergestellt:
• - Anisotropes Ätzen von Silizium
• - Mikrogalvanikprozesse
• - Laserbearbeitung
• - LIGA-Verfahren (Lithographie, Galvanoformung, Abformung)
• - Prägen von Nanokompositen mit anschließendem Verbacken.
• b) Darüber hinaus gibt es Prozesse des Rapid Prototyping:
• - Stereolithographie
• - Solid Freeform Manufacturing (SFM)
• - Lamineted Object Manufacturing (LOM)
• - Fused Depositing Modeling
• - Selektives Laser Sintering

Die Nachteile der unter a) aufgeführten Verfahren sind:

• - Aspektverhältnis kann nicht beliebig erhöht werden
• - Zum Teil keine Hinterschnitte möglich
• - Keine Rundungen in allen drei Raumachsen möglich
• - Keine Hohlkörper
• - Keine Hohlkörper mit innenliegenden Bauteilen
• - Keine komplexe mechanischen Baugruppen produzierbar.

Die Nachteile der unter b) aufgeführten Verfahren liegen darin, daß die Auflösungsgrenze bei 0,15 mm liegt und somit keine Ver­ fahren für die Mikrosystemtechnik darstellen.

Es ist aus der WO 93/20993 A1 eine Vorrichtung zur Herstellung von mikromechanischen Bauelementen bekannt. Wie aus den Fig. 1, 3 bis 6, 9 bis 11 samt dem dazugehörigen Beschreibungstext dieser Druckschrift zu entnehmen ist, weist die vorbekannte Vorrich­ tung ein geschlossenes Gefäß auf, dessen oberer bzw. unterer Deckel/Boden aus einem für elektromagnetische Wellen durchläs­ sigen Material besteht.

Zwischen Boden und Deckel ist eine verschiebbare Platte ange­ ordnet, auf der die zuerst erzeugte ausgehärtete Schicht haftet und die in definierter Schrittweite beim Aufbau der Struktur verfahren wird.

Zum Aufbau einer jeweils neuen Schicht auf der bereits erzeug­ ten Teilstruktur ist bei der bekannten Vorrichtung entweder vorgesehen, den entstandenen, flüssigkeitslosen Spalt durch Zu­ fuhr frischer Flüssigkeit zu füllen oder aber die beiden Plat­ ten, zwischen denen die Struktur aufgebaut wird, befinden sich vollständig unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche.

Zusätzlich wird der Druck in der Flüssigkeit künstlich erhöht, um bessere Ergebnisse zu erhalten.

Die Nachteile dieser vorbekannten Vorrichtung liegen jedoch darin, daß die vorbekannte Vorrichtung konstruktiv aufwendig ist durch das Vorhandensein eines allseits geschlossenen Behäl­ ters mit den notwendigen Anschlüssen für die Zufuhr der Flüs­ sigkeit bzw. für die Druckbeaufschlagung. Darüber hinaus treten Dichtungsprobleme auf, da die im Innenraum des Behälters ange­ ordnete verschiebbare Platte von außen betätigbar ist. Ein wei­ terer Nachteil ist darin begründet, daß stets eine relativ große Menge an Flüssigkeit im Behälter vorhanden sein muß, da dieser nicht beliebig klein gebaut werden kann. Das führt dann zu Problemen, wenn zum Aufbau der Schichten mit unterschiedli­ chen Eigenschaften die Flüssigkeit komplett gegen eine andere ausgetauscht werden muß. Darüber hinaus treten beim vorbekann­ ten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 Benetzungsprobleme auf-, die durch die unterschiedlichen Oberflächenspannungen von aus­ gehärteten und nicht ausgehärteten Zonen in der darunter lie­ genden Schicht entstehen. Somit lassen sich hiermit keine hin­ reichend dünnen Schichten erzeugen.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Bauelementen ist aus der DE 43 32 982 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird auf einen Zwischenträger eine Schicht des photo­ induziert aushärtbaren Stoffes aufgebracht, die bereits die für die Herstellung der neuen Schicht erforderliche Dicke aufweisen muß.

Der beschichtete Zwischenträger wird daraufhin um 180° auf die bereits vorhandene, ausgehärtete Schicht geklappt. Die neue Schicht wird belichtet, härtet aus, und der Zwischenträger wird wieder weggeklappt. Die bekannte Methode ist mit dem Nachteil behaftet, daß bei jedem Wachstumsschritt in einem vorgeschalte­ ten Verfahrensschritt zunächst die erforderliche Schicht auf den Zwischenträger aufgetragen werden muß, die darüber hinaus bis zum Erreichen ihrer Aushärtstellung mit der Atmosphäre in Verbindung steht, wodurch Verunreinigungen der Schichtoberflä­ che nicht ausgeschlossen sind.

Ein weiterer Nachteil des vorbekannten Verfahrens wird darin gesehen, daß der Minimierung der Schichtdicken enge Grenzen ge­ setzt sind, weil gerade niedrigviskose Flüssigkeiten bei ent­ sprechend dünnem Auftrag auf den Zwischenträger die Tendenz ha­ ben, wieder zu einem Tropfen zusammenzulaufen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß auf einfache, schnelle und unkomplizierte Weise selbst dünnste Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugt werden können.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit Hilfe der Merkmale des Anspruchs 1.

Die Erfindung löst diese Aufgabe darüber hinaus mittels einer Vorrichtung, die Gegenstand des Anspruchs 2 ist.

Die für das erfindungsgemäße Verfahren vorgesehene Vorrichtung besteht lediglich aus zwei Platten, von denen eine verfahrbar ist. In Abkehr vom Stand der Technik wird auf das Vorhandensein eines Behälters verzichtet, so daß die Flüssigkeit, von der je­ weils lediglich ein Tropfen benötigt wird, problemlos seitlich eingegeben werden kann und auch der Austausch auf einfache und schnelle Weise erfolgen kann. Der die sich aufbauende Struktur umgebende Flüssigkeitsmantel schützt die Struktur nach außen hin.

Dadurch, daß der Tropfen zwischen den beiden Platten allein durch seine Oberflächenspannung gehalten wird, zieht sich selbsttätig beim Auseinanderfahren der Platte zur Erzeugung ei­ ner neuen Schicht der Tropfen zwischen die obere Platte und die bereits vorhandene Teilstruktur, so daß die oben genannten Pro­ bleme, die bei der Herstellung von dünneren Flüssigkeitsschich­ ten durch unterschiedliche Oberflächenspannungen von ausgehär­ teten und nicht ausgehärteten Zonen entstehen, hierdurch auto­ matisch gelöst werden.

Darüber hinaus ist der Flüssigkeitsbedarf gegenüber dem Stand der Technik reduziert und genauer zu dosieren.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung ergeben sich folgende Vorteile:

• - Beliebiges Aspektverhältnis ist möglich
• - Hinterschnitt möglich
• - Hohlkörper möglich
• - Hohlkörper mit innenliegenden Bauteilen möglich
• - Zusammenbau von Einzelteilen bei der Fertigung der Einzel­ teile möglich, dadurch keine Montage von Baugruppen nötig.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung darge­ stellt und näher erläutert.

Ein Tropfen einer photoinduziert aushärtbaren Flüssigkeit 1 be­ findet sich zwischen zwei planparallelen Platten 2, 3, die in Wachstumsschritten 4 auseinandergezogen werden. Die so erzeug­ ten Schichten werden durch geführte und fokussierte elektroma­ gnetische Wellen 7 entsprechend eines am Rechner erzeugten, in Schichten zerlegten 3D-Volumenmodells abgebildet und ausgehär­ tet. Mit 8 sind die Richtungspfeile für die Relativbewegung zwischen optischem System und planparallelen Platten bezeich­ net.

Die zu erzeugende 3-dimensionale Mikrostruktur 5 haftet fest an der unteren Platte 2, jedoch nicht an der oberen Platte 3, so daß bei einem Wachstums schritt der flüssige Kleber den Hohlraum über der Struktur 6 in gewünschter Wachstumshöhe ausfüllt. Die obere Platte 3 ist dabei für die benutzten elektromagnetischen Wellen durchlässig. Probleme, die bei der Herstellung von dün­ neren Flüssigkeitsschichten durch unterschiedliche Oberflächen­ spannungen von ausgehärteten und nicht ausgehärteten Zonen ent­ stehen, werden durch das Verfahren mit Oberflächenspannungen selbst gelöst. Die Struktur ist während der Herstellung herme­ tisch von der Außenwelt abgeschirmt. Wird vor einem neuen Wachstumsschritt der flüssige photoinduziert aushärtbare Stoff ausgewechselt, so lassen sich Strukturen mit anderen optischen Eigenschaften auf der bestehenden Struktur aufbauen, was zu Lichtleitzwecken ausgenutzt werden kann. Auch läßt sich die Flüssigkeit mit Nanokompositen mischen, was die optischen Ei­ genschaften weiter beeinflußt. Weiterhin lassen sich die produ­ zierten Strukturen als Werkzeug zum Prägen und Abformen benut­ zen, um so eine größere Werkstoffvielfalt und eine Massenpro­ duktion realisieren zu können.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen und mi­ krooptischen Bauelementen sowie komplexen Mikrosystemen, bei dem eine photoinduziert aushärtbare Flüssigkeit zwi­ schen zwei relativ zueinander, in vorgegebenen Schrittwei­ ten in Abhängigkeit von der Schichtenfolge eines in einem Rechner erzeugten 3D-Volumenmodells verfahrenden plan­ parallelen Platten, von denen mindestens eine für elektro­ magnetische Wellen durchlässig ist, mit elektromagneti­ schen Wellen bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tropfen (1) der photoinduziert aushärtbaren Flüs­ sigkeit zwischen die planparallelen Platten (2, 3) appli­ ziert wird, der aufgrund seiner Oberflächenspannung zwi­ schen den Platten (2, 3) gehalten wird und das in seinem Inneren entstehende Bauelement hermetisch nach außen gegen die Atmosphäre abschirmt und beim schrittweisen Auseinan­ derfahren der Platten Flüssigkeit des Tropfens selbsttätig in den Bereich zwischen ausgehärteter Schicht und Platte nachströmt.

2. Vorrichtung zur Herstellung von mikromechanischen und mi­ krooptischen Bauelementen sowie komplexen Mikrosystemen mit einer elektromagnetische Wellen aussendenden Strahlungsquelle, sowie mit zwei relativ zueinander in vorgegebener Schrittweite in Abhängigkeit von der Schich­ tenfolge eines in einem Rechner erzeugten 3D-Volumenmo­ dells verfahrbaren planparallelen Platten, von denen min­ destens eine für die elektromagnetischen Wellen durchläs­ sig ist und zwischen denen eine photoinduziert aushärtbare Flüssigkeit vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der die photoinduziert aushärtbare Flüssigkeit (1) aufnehmende Zwischenraum zwischen den beiden planparal­ lelen Platten (2, 3) mit der Atmosphäre in Verbindung steht und seitlich frei zugänglich ist.