DE19821841C1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, das eine Funktionsschicht enthält - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bau­ teils, das eine mikrostrukturierte Schicht enthält gemäß dem er­ sten Patentanspruch.

In der Veröffentlichung von A. D. Johnson: "Vacuum-deposited TiNi shape memory film: characterization and applications in microdevices", J. Micromech. Microeng. 1 (1991) 34-41 wird die Herstellung von Aktoren beschrieben, die Membranen aus der Form­ gedächtnislegierung TiNi enthalten. Die Membranen werden direkt durch Aufstäuben hergestellt. Infolge einer Kontamination mit Sauerstoff sinkt die Umwandlungstemperatur stark ab. Deshalb wird alternativ zuerst eine amorphe Schicht aus TiNi herge­ stellt, die anschließend bei ca. 500°C die gewünschte Formge­ dächtniseigenschaft erhält. Das Problem bei diesem Verfahren be­ steht darin, daß das Substrat, auf dem die amorphe Schicht auf­ getragen ist, entsprechend temperaturbeständig sein muß. Deshalb ist die Materialauswahl für das Substrat praktisch auf Silicium beschränkt.

Bei einem anderen Verfahren (A. D. Johnson, E. J. Shahoian: "Progress in thin film shape memory microactuators", Proceedings of IEEE/MEMS '95 Amsterdam, P 216-220) wird zur Herstellung ei­ ner Schicht aus Formgedächtnislegierung ein Hilfssubstrat einge­ setzt, das anschließend entfernt wird. Hierbei werden in einem Wafer durch naßchemisches Ätzen auf einer Seite mehrere Vertie­ fungen geschaffen. Von der anderen Seite aus gesehen bildet das restliche Silicium an der Stelle der Vertiefungen eine dünne Membran. Auf diese andere Seite wird anschließend eine Schicht aus TiNi aufgestäubt, wärmebehandelt und mikrostrukturiert, wo­ bei gegebenenfalls bereits elektrische Kontakte aus Gold vorge­ sehen werden. Danach wird auch das restliche Silicium im Bereich der Vertiefungen entfernt und der Wafer vereinzelt. Bei diesem Verfahren muß das Substrat in zwei Schritten vollständig besei­ tigt werden. Ein weiterer Nachteil ist die Maximaldehnung des Siliciums von ca. 0,1%. Dies kann im Verbund mit Bauteilen aus einer Formgedächtnislegierung, die eine Maximaldehnung von meh­ reren Prozent aufweisen, zu Problemen führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzu­ schlagen, mit dessen Hilfe eine Schicht eines Materials, während dessen Herstellung aggressive Bedingungen erforderlich sind, mit einem Substrat verbunden werden kann, das diese aggressiven Be­ dingungen an sich nicht notwendigerweise übersteht. Das vorzu­ schlagende Verfahren soll demnach ungeachtet der aggressiven Be­ dingungen bei der Herstellung für das Substrat eine breite Pa­ lette von einsetzbaren Materialien ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im ersten Patentan­ spruch beschriebene Verfahren gelöst. In den weiteren Patentan­ sprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens be­ schrieben.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bau­ teils, das eine Funktionsschicht enthält, beschrieben. Die Funk­ tionsschicht kann insbesondere eine Schicht aus einer Formge­ dächtnislegierung darstellen. Alternativ kommen beispielsweise Funktionsschichten aus elektro- oder magnetostriktiven Materia­ lien in Betracht. Die Funktionsschicht kann sowohl mikrostruktu­ riert als auch unstrukturiert sein. Unstrukturierte Schichten werden beispielsweise als Membranen eingesetzt. Mikrostruktu­ rierte Funktionsschichten werden insbesondere dann verwendet, wenn mit einem einzelnen Herstellungsschritt mehrkomponentige Bauteile hergestellt werden sollen oder wenn in die Funktions­ schicht weitere Komponenten enthalten soll.

Das Verfahren geht von einem ersten Substrat aus, das nur als Hilfssubstrat dient und später abgetrennt wird. Das erste Substrat muß thermisch und/oder mechanisch ausreichend beständig sein, damit die weiteren Verfahrensschritte ohne Beschädigung des Substrats durchgeführt werden können. Als erstes Substrat eignet sich insbesondere ein Substrat aus Aluminiumoxid. Es ist für praktisch alle Anwendungsfälle ausreichend beständig gegen­ über hohen Temperaturen, mechanischen Beanspruchungen und che­ mischen Reagenzien. Es weist einen ähnlichen Wärmeausdehnungs­ koeffizienten auf wie die Formgedächtnislegierung TiNi; außerdem haften metallische Schichten, insbesondere Schichten aus TiNi, gut auf Aluminiumoxid.

Eine der Oberflächen eines solchen Substrats wird mit einer Op­ ferschicht überzogen. Als Opferschicht eignet sich besonders Gold, weil sich Gold selektiv gegenüber vielen anderen Metallen und Metallegierungen mit Hilfe einer wäßrigen Ätzlösung aus Ka­ liumjodid und Jod auflösen läßt. Die Opferschicht kann im Prin­ zip mit beliebigen Verfahren aufgetragen werden. Vorzugsweise wird die Opferschicht durch eine Maske aufgestäubt. Dieser Ver­ fahrensschritt erspart ein nachträgliches naßchemisches Struktu­ rieren der Opferschicht. Vorzugsweise wird eine aufgestäubte Op­ ferschicht aus Gold bei erhöhten Temperaturen, etwa bei 800°C, beispielsweise eine Stunde lang getempert. Dadurch wird die amorph abgeschiedene Goldschicht rekristallisiert, wodurch das Gold mit der Ätzlösung reproduzierbar zu entfernen ist. Bei amorphen Goldschichten kann die Ätzlösung versagen. Auf die Tem­ perung kann verzichtet werden, wenn entsprechende Aufstäubebedingun­ gen gewählt werden.

Die Strukturierung der Opferschicht erfolgt in der Weise, daß Randbereiche der Oberfläche des ersten Substrats freibleiben. Die Opferschicht kann beispielsweise in der Mitte der Oberfläche angeordnet werden, so daß rings um die Opferschicht Randbereiche freibleiben. Es ist jedoch auch ausreichend, wenn zwei iso­ lierte, vorzugsweise einander gegenüberliegende Randbereiche auf der Oberfläche des Substrats freibleiben.

Auf der Oberfläche des Substrats wird nun mit den Methoden der Mikrostrukturtechnik eine mikrostrukturierte Schicht aufgebaut. Diese Schicht kann im Prinzip mit dem sogenannten LIGA-Verfahren durch Auftragen eines Röntgenresists, Bestrahlen, selektives Entfernen der bestrahlten Bereiche und anschließendes galvani­ sches Auffüllen mit einem Metall hergestellt und strukturiert werden, sofern für einen elektrisch leitenden Untergrund als Ka­ thode gesorgt wird. Vorzugsweise wird jedoch eine Schicht ganz­ flächig sowohl über die Opferschicht als auch über die Randbe­ reiche aufgestäubt. Eine solche Schicht kann beispielsweise aus der Formgedächtnislegierung TiNi bestehen. Eine TiNi-Schicht soll anschließend bei erhöhter Temperatur, etwa bei 550°C bis 750°C, längere Zeit, z. B. etwa eine Stunde lang, getempert werden; sie läßt sich anschließend durch elektrolytisches Photo­ ätzen strukturieren. Hierzu wird die Schicht entweder durch ein Tauch- oder ein Schleuderverfahren mit einem Lack überzogen und der Lack über eine Maske belichtet, wonach die belichteten Teile des Lacks chemisch selektiv entfernt werden. Die freigelegten Bereiche der Schicht können dann chemisch abgeätzt werden.

Das Muster, mit dem die Schicht mikrostrukturiert wird, wird entsprechend der gewünschten Funktionsschicht gewählt, wobei die Mikrostrukturierung bei gleichzeitiger Herstellung mehrerer Bau­ teile die einzelnen Funktionsschichten ergeben muß. Eine Mi­ krostrukturierung ist auch dann erforderlich, wenn die Funkti­ onsschicht des Bauteils mehrere Funktionen in sich vereinigen soll. Wird nur ein einziges Bauteil mit einer Membran als Funk­ tionsschicht hergestellt, braucht der Bereich der Schicht, der die Funktionsschicht ergibt, nicht mikrostrukturiert werden.

Der zentrale Bereich der mikrostrukturierten Schicht, der später die Funktionsschicht bildet, liegt unmittelbar über der Opfer­ schicht. Er läßt sich deshalb später leicht vom Substrat lösen. Die mikrostrukturierte Schicht besteht außerdem noch aus einem peripheren Bereich, unter den sich die Opferschicht nicht er­ streckt und der - abgesehen von gegebenenfalls notwendigen Schichten zur Haftvermittlung - unmittelbar auf dem Substrat aufliegt. Der periphere Bereich soll während des gesamten Her­ stellungsverfahrens sicher auf dem Substrat haften.

Der zentrale und der periphere Bereich der mikrostrukturierten Schicht sind über Stege miteinander verbunden. Die Zahl und die Gestalt der Stege ist an sich von untergeordneter Bedeutung. Die Stege sollen während des Herstellungsverfahrens den zentralen und den peripheren Bereich der mikrostrukturierten Schicht si­ cher miteinander verbinden, später jedoch eine Trennung der Be­ reiche ermöglichen, indem die Stege zerbrochen werden. Im ein­ fachsten Fall können stabförmige Stege, deren Zahl mindestens der Zahl der Randbereiche entsprechen soll, vorgesehen werden. Zumindest ein Teil der Stege soll über der Opferschicht angeord­ net werden.

Die Opferschicht wird nun selektiv entfernt. Für Gold als Opfer­ schicht eignet sich die bereits erwähnte Ätzlösung. Für Opfer­ schichten aus einem anderen Material wird eine Ätzlösung einge­ setzt, die zwar die Opferschicht, nicht aber die mikrostruktu­ rierte Schicht und das Substrat angreift.

Danach wird der zentrale Bereich, der als Funktionsschicht die­ nen soll, mit einem zweiten Substrat verbunden. Das zweite Substrat kann aus einem Kunststoff bestehen, an den keine beson­ deren Anforderungen hinsichtlich der thermischen oder chemischen Beständigkeit zu stellen sind. Als zweites Substrat kann für Funktionsschichten, die Membranen darstellen, beispielsweise ein Gehäuse für die Membran verwendet werden. Das zweite Substrat wird mit einer geeigneten Technik, beispielsweise Kleben, mit dem zentralen Bereich der mikrostrukturierten Schicht verbunden.

An sich wäre es zwar möglich, die Opferschicht erst jetzt zu entfernen. Der Nachteil eines solchen Vorgehens besteht jedoch darin, daß in diesem Fall das zweite Substrat zwangsläufig mit der Ätzlösung für die Opferschicht in Berührung kommt und da­ durch Schaden nehmen könnte.

Der zentrale Bereich der mikrostrukturierten Schicht läßt sich nun leicht durch Zerbrechen der Stege mitsamt dem damit verbun­ denen zweiten Substrat isolieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt verschiedene Zwischenschritte des Verfahrens;

Fig. 2 zeigt ein Bauteil in Explosionsdarstellung.

Beispiel:

In Fig. 1 ist das Verfahren schematisch einschließlich verschie­ dener Zwischenstadien dargestellt. Auf einem Substrat 1 aus Al₂O₃ mit den Abmessungen 58 × 29 × 0,6 mm³ wurde über eine Maske 3 eine Opferschicht 2 aus 300 nm dickem Gold aufgetragen, so daß an drei Seiten des Substrates Randbereiche freiblieben (Schritt a).

In Schritt b) wird eine NiTi-Schicht ganzflächig auf das Substrat aufgestäubt, wobei ein zentraler Bereich der Schicht über der Opferschicht 2 und ein peripherer Bereich der Schicht über den Randbereichen liegen. Die NiTi-Schicht wird anschlie­ ßend bei 550°C eine Stunde lang im Vakuum rekristallisiert.

Anschließend wird in Schritt. c) die NiTi-Schicht durch elektro­ lytisches Photoätzen strukturiert. Dabei wird auf dieser Schicht Lack entweder mit Hilfe eines Tauchverfahrens oder eines Schleu­ derverfahrens aufgetragen. Der Lack wird dann in üblicher Weise belichtet und entwickelt, wobei die belichteten Teile des Lackes entfernt werden. Durch die damit geschaffene Lackmaske werden die freigelegten Teile der NiTi-Schicht selektiv weggeätzt und danach der Lack vollständig entfernt. Teil c) von Fig. 1 zeigt diesen Zustand.

Im nun folgenden Schritt d) wird die Goldopferschicht 2 selektiv herausgelöst. Damit erhält man einen freitragenden zentralen Be­ reich der NiTi-Schicht, der über Haltestege mit dem unmittelbar auf die Randbereiche aufgebrachten peripheren Bereiche der NiTi- Schicht verbunden ist. Als Ätzmittel für Gold wurde eine wäßrige Lösung aus 200 g/l Kaliumjodid und 100 g/l Jod verwendet.

Schließlich wird in Schritt e) als zweites Substrat ein Aktorge­ häuse 5 mit dem zentralen Bereich der NiTi-Schicht verklebt. Das Gehäuse 5 enthält bereits eine Polyimid-Membran (nicht darge­ stellt), die mit Hilfe der Kapillarklebetechnik mit dem zentra­ len Bereich der NiTi-Schicht verbunden wird. Dabei wird das Ge­ häuse 5 auf den zentralen Bereich gelegt und dann der Klebstoff dosiert von der Seite an den Klebespalt herangeführt. Er zieht sich dann auf Grund von Kapillarkräften in den Klebespalt. Durch die Klebstoffmenge kann die gewünschte Größe der Klebefläche eingestellt werden.

Schließlich wird im Schritt f) das Gehäuse 5 mit dem zentralen Bereich der NiTi-Schicht abgehoben. Hierzu werden zunächst die Haltestege manuell aufgetrennt und das Gehäuse dann vom Substrat 1 entfernt. Bei entsprechend schwacher Auslegung der Haltestege kann das manuelle Auftrennen entfallen, da hier beim Entfernen des Gehäuses 5 die Stege von allein brechen und das Bauteil freigeben.

Fig. 2 zeigt einen mit dieser Technik hergestellten Mikromem­ branaktor, der für Mikropumpen oder Mikroventile eingesetzt wer­ den kann. Der Mikromembranaktor besteht aus einem Verbund eines Gehäuses 5 aus PMMA und einer Polyimid-Membran 6, auf die eine NiTi-Mikrostruktur 7 aufgeklebt ist. Die Mikrostruktur ent­ spricht dem strukturierten zentralen Bereich einer ganzflächig auf ein Hilfssubstrat aufgebrachten mikrostrukturierten NiTi- Schicht.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, das eine Funkti­ onsschicht enthält, bei dem man

• a) eine Oberfläche eines ersten, mechanisch und/oder ther­ misch stabilen Substrats in der Weise mit einer Opfer­ schicht überzieht, daß Randbereiche der Oberfläche frei­ bleiben,
• b) auf den Randbereichen der Oberfläche und auf der Opfer­ schicht mit den Methoden der Mikrostrukturtechnik eine mikrostrukturierte Schicht in der Weise aufbaut, daß
  • 1. ein zentraler Bereich der mikrostrukturierten Schicht über der Opferschicht angeordnet und entsprechend den Anforderungen an die Funktionsschicht gestaltet ist,
  • 2. ein pheripherer Bereich der mikrostrukturierten Schicht über den Randbereichen der Oberfläche angeordnet ist
  • 3. der zentrale Bereich mit dem peripheren Bereich über Stege verbunden ist,
• c) die Opferschicht selektiv entfernt,
• d) den zentralen Bereich als Funktionsschicht mit einem zweiten Substrat verbindet und
• e) zusammen mit dem zweiten Substrat durch Zerstören der Stege isoliert.

2. Verfahren nach Anspruch 1 mit einer mikrostrukturierten Schicht bestehend aus einer Formgedächtnislegierung.

3. Verfahren nach Anspruch 1 mit einem ersten Substrat bestehend aus Aluminiumoxid.

4. Verfahren nach Anspruch 1 mit einer Opferschicht aus Gold.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Opferschicht mit einer wäßrigen Lösung aus Kaliumjodid und Jod selektiv aufgelöst wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 mit einem zweiten Substrat beste­ hend aus einem Kunststoff.