DE10021489A1

DE10021489A1 - Mikroherstellungsprozess zur Herstellung von Mikrostrukturen mit großem Seitenverhältnis

Info

Publication number: DE10021489A1
Application number: DE2000121489
Authority: DE
Inventors: Ching-Bin Lin
Original assignee: HSU HSI KANG; KANG SHUNG WEN; KU CHUN FU
Current assignee: HSU HSI KANG; KANG SHUNG WEN; KU CHUN FU
Priority date: 1999-10-20
Filing date: 2000-05-03
Publication date: 2001-06-07
Anticipated expiration: 2020-05-04
Also published as: DE10021489C2; TW448084B

Abstract

Mikroherstellungsprozess, der folgende Schritte aufweist: DOLLAR A a. Herstellen einer Elektrolytlösung zum Füllen in ein System zur Elektroformung; DOLLAR A b. Ausformen eines elektrisch isolierenden Maskierungsfilms auf einem Polymersubstrat; DOLLAR A c. Mikrobearbeiten des Substrats zur Bildung eines dreidimensionalen Mikrostrukturaufbaus mit tiefen Vertiefungen; DOLLAR A d. Schrumpfen des Durchmessers oder der Breite jeder Vertiefung des Mikrostrukturaufbaus durch stetiges Quellen des Polymers, das auf einer Kathode des Systems zur Elektroformung angebracht worden ist, bis zur Sättigung des Polymers mit der Elektrolytlösung; DOLLAR A e. galvanisches Formen zum Füllen von Metall oder Legierung in die Vertiefungen des Polymers im System zur Elektroformung, in dem eine Anode und die Kathode elektrisch angeschlossen sind und DOLLAR A f. Desorption des Elektrolyten aus dem Polymer, um das Polymer zum Trennen von einem galvanisch geformten Mikrostrukturprodukt, zu schrumpfen und um die Mikrostruktur aus der Form zu entnehmen, um ein Mikrostrukturprodukt mit einem hohen Seitenverhältnis von 100 oder sogar darüber zu erhalten.

Description

Hintergrund der Erfindung

Zur Herstellung von Mikrostrukturen mit großem Seitenverhält nis gibt es zahlreiche Prozesse, einschließlich LIGA, LIGA- ähnliche Prozesse, UV-Fotolithografie etc., wie sie für einen derartigen Zweck offenbart worden sind. Solche herkömmliche Prozesse sind jedoch komplex und teuer, so dass sie unter kom merziellen Gesichtspunkten unwirtschaftlich und undurchführbar sind.

U.S.-Patent 5,770,465 offenbarte einen Prozess zur Herstellung von Mikrostrukturen mit großem Seitenverhältnis, bei dem eine Maskierungstechnik mittels Ätzen und Verfüllen von Rillen an gewendet wird, bei der tiefe Rillen in ein Substrat geätzt, die Rillen mit Rillenfüllmaterial aufgefüllt werden, und Tief ätzen des Substrats ausgeführt wird, wobei das Rinnenfüllmate rial als Maske dient. Dieser Stand der Technik macht jedoch zahlreiche Prozessschritte zur Fertigbearbeitung der Mikro strukturen erforderlich, die außerdem zeitaufwendig sind und die Produktivität verringern.

Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat die Nachteile des herkömmlichen Prozesses erkannt und den vorliegenden Prozess zur Herstellung von Mikrostrukturen erfunden, der wirtschaft licher und zur Herstellung von Mikrostrukturen besser durch führbar ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Mikroherstellungsprozesses, der folgende Schritte auf weist:

a) Herstellen einer Elektrolytlösung, die in ein System zur Elektroformung zu füllen ist;
b) Ausbilden eines elektrisch isolierenden Maskierungs-Dünn films auf einem Polymersubstrat;
c) Mikrobearbeiten des Substrats zur Ausformung eines drei dimensionalen Mikrostrukturaufbaus mit tiefen Vertiefun gen;
d) Schrumpfen der Breite oder des Durchmessers jeder Vertie fung des Mikrostrukturaufbaus durch stetiges Quellen des Polymers, das vorher auf einer Kathode des Systems zur Elektroformung angebracht wurde, indem das Polymer mit der Elektrolytlösung gesättigt wird;
e) Galvanische Formgebung im System zur Elektroformung, das elektrisch mit einer Anode und der Kathode verbunden ist, um die Vertiefungen im Polymer mit Metall aufzufüllen; und
f) Desorption des Elektrolyten aus dem Polymer, um das von einem galvanisch geformten Mikrostrukturprodukt zu tren nende Polymer zu schrumpfen und aus der Form zu nehmen, um das Mikrostrukturprodukt mit einem hohen Seitenverhältnis von 100 oder sogar darüber zu erhalten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt die wichtigsten Prozessschritte gemäß der vorlie genden Erfindung.

Fig. 2 zeigt die Komponenten eines Systems zur Elektroformung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 3 ist eine Draufsicht des gemäß der vorliegenden Erfin dung mikrobearbeiteten Substrats.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht des Mikrostrukturpro duktes gemäß der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung

Der Mikroherstellungsprozess der vorliegenden Erfindung weist folgende Schritte auf:

1. Herstellen einer Elektrolytlösung

Eine Elektrolytlösung 4 wird hergestellt, die in ein System zur Elektroformung 8 zu füllen ist. Das System zur Elektro formung 8 ist zur Ausführung eines galvanischen Formgebungs prozesses, der hierin später beschrieben detailliert wird, ausgeführt.

2. Ausbilden eines Maskierungsfilms auf einem Polymersub strat

Ein Polymersubstrat 1, das in der Lage ist, große Mengen der Elektrolytlösung, die eine ausgeprägt wässrige Lösung ist, zu absorbieren, wird zur Oberflächenbehandlung, einschließlich Ebnen, Polieren und Reinigen der Außenfläche des Substrats gewählt. Ein dünner schützender Maskierungsfilm 2 wird dann in Umfangsrichtung auf dem oder um das Substrat 1 ausgeformt, wie in Fig. 1a dargestellt ist. Zur Ausbildung des Films 2 auf dem Substrat 1 können mehrere Verfahren angewendet werden, einschließlich der Beschichtung durch eine Beschichtungsmaschine, der Abscheidung mittels Aufdampfen, wie beispielsweise beim PVD- oder CVD-Verfahren, oder durch stromloses Abscheiden. Das Substrat kann aus hydrophilem Polyurethan, hydrophilem Acrylharz und anderen geeigneten Polymeren gewählt werden. Der Maskierungsfilm 2 sollte elektrisch isolierend sein.

Der Maskierungsfilm 2 sollte das Eindringen oder den Stoff übergang eines Elektrolyten in das Innere des Substrats 1 verhindern. Der Film darf außerdem in der Elektrolytlösung wäh rend der anschließenden Sättigung durch den Stoffübergang oder den Schritten der Elektroformung nicht abgelöst oder gelöst werden.

Das gewählte Substrat 1 sollte durch Stoffübergang des Lö sungsmittels im Elektrolyten in das Innere des Substrats in hohem Maße gequollen werden, ohne dass dieses durch den Elek trolyten beschädigt wird.

Andere Filmbildungsverfahren, z. B. Sputtern, Plasmasprühen, Schleuderbeschichten etc. können bei dieser Erfindung ange wendet werden.

3. Mikrobearbeitung des Substrats zum Ausformen einer Mik rostruktur mit tiefen Vertiefungen

Durch die Anwendung von Werkzeugen und Verfahren der Mikro bearbeitung zum Ausformen tiefer Vertiefungen oder Lücken 3 der Struktur im Substrat 1 gemäß Fig. 1b kann eine primäre Breite oder ein primärer Durchmesser D1 (auch in Fig. 3 dar gestellt) in jeder tiefen Vertiefung 3 hergestellt werden. Die so erhaltene Struktur sollte die gewünschte optimale Abmes sung, Formhaltigkeit und eine minimale Rauigkeit der Seiten wand haben.

Die Verfahren der Mikrobearbeitung beinhalten: Fräsen mittels Polykristall-Diamant (PCD), Laser-Fräsen (LBM), Elektronen strahl-Fräsen (EBM) etc.

4. Schrumpfen der Breite oder des Durchmessers jeder tiefen Vertiefung der Struktur durch Quellen des Substrats

Das mikrobearbeitete Substrat wird in innigen Kontakt mit einer Plattenkathode 7 aus Nickel verbunden und in die Elek trolytlösung 4, die in das System zur Elektroformung 8 gefüllt worden ist, getaucht, damit das Lösungsmittel im Elektrolyten in das Innere des Polymersubstrats 1 durch Stoffübergang des Lösungsmittels im Elektrolyten eindiffundiert, um das Polymer zu quellen (Fig. 1c, 1d). Durch das Quellen 5 des Polymers in jeder tiefen Vertiefung 3 der Struktur wird die Breite oder der Durchmesser jeder Vertiefung kleiner (von D1 nach D2) ge schrumpft (Fig. 1).

Ist beispielsweise die Tiefe der Vertiefung 3, die ihrerseits die Höhe des Produkts 15 wird, wie in Fig. 1f und Fig. 4 dar gestellt, als H, die erste Breite (oder der erste Durchmesser) jeder Vertiefung 3 nach der Mikrobearbeitung als D1 und die zweite Breite (oder der zweite Durchmesser) jeder Vertiefung 3 nach dem Schrumpfen (oder Quellen des Polymers) als D2 defi niert, ergeben sich folgende Formeln:
R1 = H/D1, wobei R1 das Seitenverhältnis bei Mikrobearbeitung ohne Schrumpfen ist;
R2 = H/D2, wobei R2 das Seitenverhältnis nach dem Schrumpfen ist.

Da D2 kleiner ist als D1, ist R2 größer als R1, wodurch das Seitenverhältnis gemäß der vorliegenden Erfindung erhöht wird.

Wird also die erste Breite (D1) einer Vertiefung durch das PCD-Verfahren auf 300 µm mit einer Höhe (H) von 9,9 mm mikro bearbeitet, ergibt sich ein Seitenverhältnis (R1) von 33; nach der Behandlung gemäß der vorliegenden Erfindung wird die zwei te Breite (D2) nach dem Schrumpfen 75 mm bei der gleichen Höhe (H) betragen, und das Seitenverhältnis (R2) ergibt sich dann zu: 33 × 300/75 = 132, das damit deutlich erhöht und die Mini aturisierung auf für die Mikroherstellung günstige Weise ver stärkt wird.

Das Quellen des Polymers zum Schrumpfen der Vertiefungen (Grö ße der Vertiefung) der Struktur wird durch den Stoffübergang der Moleküle eines Lösungsmittels im Elektrolyten 4 in das freie Volumen des Polymerinneren des Substrats 1 verursacht, wodurch der Abstand zwischen den Molekülketten abnimmt und die Quellung 5 des Polymers entsteht.

Dieses Phänomen des Stoffübergangs kann aufgrund der Fickschen Diffusion, der Case II-Diffusion oder einer anomalen Diffusion eintreten. Das Schrumpfen der Abmessung der Vertiefung ist eine Funktion der Variablen, einschließlich des Stoffüber gangs, der Temperatur und der Sättigungskapazität durch Ab sorption oder der Geschwindigkeit des Lösungsmittels im Elek trolyten, mit der dieses vom Polymer absorbiert wird.

Bei Sättigung des Stoffübergangs des Lösungsmittels im Elek trolyten in das Polymer erreicht die Quellung 5 des Polymers eine feste Größe, wodurch die Vertiefung 3 auf eine feste Größe, die vorgegeben werden kann, geschrumpft wird.

Das bei dieser Erfindung verwendete Polymer sollte den Stoff übergang des Lösungsmittels im Elektrolyten in das Innere des Polymers unter massiver Quellung des Polymers gestatten, ohne dies während des Quellens zu beschädigen.

Die zum Quellen des Polymers verwendete Elektrolytlösung ist der gleiche Elektrolyt, wie er im nachfolgenden Schritt der galvanischen Formgebung gemäß dieser Erfindung verwendet wird. Diejenigen Bereiche des Substrats, die mit dem Maskierungsfilm 2 bedeckt sind, werden durch den Elektrolyten beim Stoffüber gang des Elektrolyten nicht angegriffen.

5. Galvanische Formgebung

Das gequollene Substrat 6, dessen Vertiefungen 3 mit dem Elek trolyten 4 gefüllt worden sind, wird nunmehr dem Schritt der galvanischen Formgebung im System zur Elektroformung unter worfen.

Das System zur Elektroformung 8 (Systemkomponenten) gemäß Fig. 2 enthält: ein Bad 81, in das die Elektrolytlösung 4 gefüllt wird, eine Spannungsversorgung 14 mit einer Anode und einer Kathode, die elektrisch mit der Nickelplatte 7 verbunden ist, die bereits mit dem gequollenen Substrat 6 verbunden worden ist, ein Rührwerk 10, das an einem Gleichstrommotor 9 mit variabler Drehzahl befestigt ist, um die Elektrolytlösung 4 im Bad 81 homogen zu vermischen, eine Heizspule 11, die im Bad ausgeformt ist, um die Elektrolytlösung auf eine geeignete Temperatur zu erwärmen, die von einem Temperaturregler 12 und einem Sensor 13 konstant gehalten wird.

Die Spannungsversorgung 14 liefert den geeigneten Strom und die geeignete Spannung zur Durchführung des Prozesses der Elektroformung, in dem das Metall in jede Vertiefung 3 im ge quollenen Substrat 6 abgeschieden wird, bis die Vertiefungen im gequollenen Substrat 6 auf die vorgegebene Höhe oder Tiefe H aufgefüllt sind. Danach wird die Spannungsversorgung 14 aus geschaltet.

Die Metalle oder Legierungen, die im Schritt der galvanischen Formgebung galvanisch abgeschieden werden können, beinhalten: Nickel, Kupfer, Gold, Nickel-Kobaltlegierung, Nickel-Eisen- Legierung usw.

6. Desorption und Entnehmen aus der Form

Das im vorigen Schritt galvanisch geformte Produkt wird dann der Desorption unterworfen, um den Elektrolyten aus dem Poly mer zu entziehen und das Polymer in seine ursprüngliche Form zurückzubringen, damit sich die galvanisch geformte Mikro struktur leicht vom Polymer trennen läßt. Das Polymer 1 wird dann von der galvanisch geformten Mikrostruktur 15 getrennt, wie in Fig. 1e dargestellt aufgrund der Desorption des Elek trolyten, die durch Erwärmen oder durch Diffusion erfolgen kann, getrennt.

Das Mikrostrukturprodukt 15 wird dann aus der Form genommen und vom Substrat 1 getrennt, wie in Fig. 1f und 4 dargestellt.

Das gequollene Polymer 1, das schließlich in den Prozess schritten wiedergewonnen wird, wird in der Elektrolytlösung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht gelöst oder zersetzt.

Die vorliegende Erfindung kann unter Bezugnahme auf das fol gende Beispiel noch näher beschrieben werden.

Beispiel

Eine Substratplatte aus hydrophilem Polyurethan (PU) mit einer Dicke von 2 cm wird zur Oberflächenbehandlung mittels Ebnen und Polieren gewählt. Eine wasserunlösliche Graphittinte oder Persimmonöl wird auf alle parallelepipedförmigen Außenflächen des Substrats aufgetragen. Ein CO₂-Laser mit einer Wellenlänge von 193 nm wird zum Bohren einer Vielzahl Bohrungen (z. B. 100 × 100) in das Substrat verwendet. Jede Bohrung "d₀" hat einen Innendurchmesser von ca. 400 µm.

Eine Elektrolytlösung wird hergestellt, die folgende Bestand teile enthält: Nickelammoniumsulfat 16 l, Borsäure 0,8 l, Nickelchlorid 0,4 l und Aufhellungsmittel 0,4 l, die bei 35°C vollständig gelöst werden. Deionisiertes Wasser wird zur Ein stellung des spezifischen Gewichts auf 40 zugegeben, und der pH-Wert wird gemessen und auf 4 eingestellt. Ist die Lösung zu sauer, wird Nickelcarbonat bis zum Erreichen eines pH-Wertes von 4,0 hinzugefügt.

Das Substrat wird dann mit einer Plattenkathode aus Nickel verbunden und in die Elektrolytlösung getaucht, damit der Stoffübergang des Lösungsmittels im Elktrolyten in das Polymer bei 40°C stattfindet. Bei Sättigung durch den Stoffübergang in das PU-Polymer quillt das Polymer, so dass der Innendurchmesser "d" der Bohrung auf 100 µm schrumpft. Die Rate der Grö ßenverringerung ergibt sich somit zu: d₀ - d/d₀ × 100% = 400 - 100/400 × 100% = 75%.

Das gequollene Substrat wird dann zur galvanischen Formgebung bei 40°C über eine Dauer von 54 Stunden mit einer Versorgungs spannung von 2,0 V und 2,0 A verbracht.

Das galvanisch geformte Produkt wird dann zur Desorption in einen Luftumwälzofen mit 100°C gelegt, damit das dreidimensi onale Mikrostrukturprodukt 15 mit einem Seitenverhältnis von 100 wie in Fig. 4 dargestellt aus der Form genommen werden kann, was die Prozessschritte vereinfacht und die Produktions kosten senkt.

Die Formen der Mikrostrukturen sind nicht auf die vorliegende Erfindung begrenzt. Jede Mikrostruktur kann auch mit einer Bohrung oder mehreren in der Mikrostruktur ausgeformten Boh rungen gebildet werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Mikrostruktur mit einem großen Seitenverhältnis von über 100 hergestellt werden. Die Prozessschritte werden vereinfacht und die Produktions kosten gesenkt, wodurch die Nachteile des herkömmlichen zeit aufwendigen Mikroherstellungsprozesses mit geringer Produkti vität aufgehoben werden.

Etliche wichtige "Schlüssel"-Schritte sind für die vorliegende Erfindung vorteilhaft, z. B. das Quellen de Polymers unmittel bar vor dem Schritt der galvanischen Formgebung, in dem die Vertiefungen im Polymer auf ein Minimum gebracht werden, um das Seitenverhältnis deutlich zu erhöhen, und die Desorption des Elektrolyten aus dem Polymer, wodurch eine leichte Tren nung der galvanisch geformten Mikrostruktur vom Polymer er reicht wird, wobei die Desorption auf einfache Weise durch Erwärmung erfolgt, wodurch die komplexen Ätzschritte, wie bei den herkömmlichen Prozessschritten vorkommen, entfallen, was den Umweltschutz verbessert, da das Problem der Verunreinigung durch Lösungsmittel beim Ätzen gelöst wird. Das Quellen des Polymers und die Wiedergewinnung (Schrumpfung) des Polymers scheint eine "umkehrbare Reaktion" zu sein, ist jedoch für die Erhöhung des Seitenverhältnisses und für das Entnehmen des Mikrostrukturprodukts aus der Form nützlich, womit die vor liegende Erfindung eine Verbesserung des Standes der Technik darstellt.

Die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Mikrostruk tur kann kopiert werden, um als Inneres einer Form zur Massen fertigung von Formprodukten z. B. mittels Spritzgießen oder andere Formgebung- oder Herstellungsprozesse zu dienen.

Die vorliegende Erfindung kann modifiziert werden, ohne von Geist und Gültigkeit dieser Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Mikroherstellungsprozess, der folgende Schritte aufweist:

a) Herstellen einer Elektrolytlösung zum Füllen in ein System zur Elektroformung;
b) Wählen eines Polymersubstrats, das in der Lage ist, ein Lösungsmittel der Elektrolytlösung zu absorbieren, um durch das Lösungsmittel zu quellen, und Behandeln einer Außenfläche des Polymersubstrats zum Ebnen, Polieren und Reinigen des Polymersubstrats und Ausfor men eines elektrisch isolierenden Maskierungsfilms auf der äußeren Oberfläche des Polymersubstrats;
c) Mikrobearbeiten des Polymersubstrats zur Bildung eines dreidimensionalen Mikrostrukturaufbaus mit einer Viel zahl tiefer Vertiefungen in diesem Polymersubstrat;
d) Verbinden des Polymersubstrats in innigem Kontakt mit einer Plattenkathode für das System zur Elektroformung und Tauchen des Polymersubstrats in die Elektrolyt lösung im System zur Elektroformung, um den Stoffüber gang des Lösungsmittels in der Elektrolytlösung im Polymersubstrat zum Quellen des Polymersubstrats bis zur Sättigung mit dem Lösungsmittel und zum Schrumpfen des Durchmessers oder der Breite jeder dieser tiefen Vertiefungen in diesem Polymersubstrat zu ermöglichen;
e) galvanisches Formen zum Füllen von Metall oder Legie rung in die Vertiefungen des Polymersubstrats im Sys tem zur Elektroformung mit der Plattenkathode und einer Anode, die im System zur Elektroformung elekt risch angeschlossen sind; und
f) Desorption des Lösungsmittels im Elektrolyten aus dem Polymersubstrat, um das Polymersubstrat zum Trennen von einer Mikrostruktur, die in jeder Vertiefung des Polymersubstrats galvanisch geformt worden ist, zu schrumpfen und um die Mikrostruktur aus der Form zu entnehmen, um eine galvanisch geformte Mikrostruktur mit hohem Seitenverhältnis zu erhalten.

2. Mikroherstellungsprozess nach Anspruch 1, bei dem das Polymersubstrat durch das Lösungsmittel eines Elektrolyten zum Quellen bei einer Temperatur gesättigt wird, die gleich ist der Temperatur zur Durchführung der Elektro formung.

3. Mikroherstellungsprozess nach Anspruch 1, bei dem der Maskierungsfilm ein Eindringen oder den Stoffübergang der Elektrolytlösung in das Polymersubstrat verhindert und der Maskierungsfilm durch die Elektrolytlösung nicht abgelöste oder gelöst wird.

4. Mikroherstellungsprozess nach Anspruch 1, bei dem das Polymersubstrat ein hydrophiles Polymer ist.

5. Mikroherstellungsprozess nach Anspruch 4, bei dem das Polymer enthält: hydrophiles Polyurethan und hydrophilen Acrylharz.

6. Mikroherstellungsprozess nach Anspruch 1, bei dem die Elektroformung die galvanische Abscheidung von Metall oder Legierung enthält, das/die aus eine Gruppe gewählt wird, die enthält: Nickel, Kupfer, Gold, Nickel-Kobalt und Nickel-Eisen.