DE4034365A1

DE4034365A1 - Verfahren zur herstellung freitragender mikrostrukturen

Info

Publication number: DE4034365A1
Application number: DE4034365A
Authority: DE
Inventors: Werner Karl Schomburg; Robert Ruprecht; Gerhard Stern
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1990-10-29
Filing date: 1990-10-29
Publication date: 1992-04-30
Also published as: DE4034365C2; EP0483662A2; EP0483662A3; EP0483662B1; DE59103890D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung freitra gender Mikrostrukturen nach dem Oberbegriff des Pa tentanspruchs 1.

Aus der EP 01 04 685 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Maske für die Mustererzeugung in der Röntgenstrahllithographie bekannt. Dabei wird die Maske (= Mikrostruktur) auf drei Trägerschichten aufgebaut. Das Ergebnis des Verfahrens ist dann die Mikrostruktur auf einer Trägerschicht.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß die Mikrostruktur mit der Folie verbunden bleibt, die bei der Verwendung der Mikrostruktur stören kann. So werden z. B. für die Herstellung von Filtern Mikrostrukturen benötigt, die nicht mit einer Fo lie verschlossen sind.

In den Kleinneubacher Berichten Nr. 29 (1986) auf den Seiten 501 bis 505, herausgegeben vom Fernmeldetechnischen Zentralamt, Postfach 5000, 6100 Darmstadt, wird von H.-P. Gemünd ein Ver fahren beschrieben, mit dessen Hilfe Mikrostrukturen auf einer Galvanikstartschicht hergestellt werden, die mit einer Glas platte verbunden ist. Die Mikrostrukturen werden dann mecha nisch von der Glasplatte getrennt.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß die vorgesehene Form empfindlicher Mikrostrukturen bei der mechanischen Trennung von der Glasplatte leicht in ungewünschter Art und Weise ver ändert werden kann.

Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren der gattungsge mäßen Art so zu modifizieren, daß Mikrostrukturen innerhalb weniger Minuten von dem Substrat getrennt werden können, auf dem sie hergestellt worden sind, ohne daß es zu Beeinträchti gungen der Strukturen kommt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 7 und dreier Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Dabei zeigen die Fig. 1 bis 7 die einzelnen Verfahrens schritte.

Auf einer ca. 0,5 mm dicken Siliziumscheibe als Substrat 1 mit einem Durchmesser von ca. 100 mm wurde eine Trennschicht 2 aus Kohlenstoff 20 nm dick aufgedampft. Bei dieser Kohlenstoffbe schichtung wurde der Rand der Siliziumscheibe 1 frei belassen (Fig. 1). Trennschicht 2 und Rand der Siliziumscheibe wurden durch Magnetronsputtern mit einer 3 µm dicken Opferschicht 3 aus Titan beschichtet.

Die Dicke der Trennschicht 2 sollte vorteilhafterweise zwi schen 10 und 30 nm liegen. Es ist auch möglich, Kohlenstoff mehr als ca. 50 nm bis 150 nm dick durch Magnetronsputtern aufzustäuben statt ihn aufzudampfen. Die Dicke der Titan schicht 3 liegt vorteilhafterweise zwischen 2 und 10 µm.

Auf dieser Opferschicht 3 wurden mit den bekannten Methoden des LIGA-Verfahrens (E. W. Becker et al, Microcircuit Engineering 4 (1986) Seiten 35 bis 56) durch Röntgentiefen lithographie und galvanische Abscheidung von Kupfer aus einem Fluoroborat-Elektrolyten Mikrostrukturen 4 mit 40 µm Dicke hergestellt, die so mit Schlitzaperturen perforiert sind, daß sich später ein Infrarotfilter ergab (Fig. 2). Die Dicke der Strukturen 4 kann in einem Bereich von ca. 1 bis 400 µm lie gen.

Diese Strukturen 4 wurden mit einem Saphir gefüllten 2-Kom ponenten-Kleber mit festen, ca. 2,5 mm dicken, ringförmigen Rahmen als Haltestruktur 5 aus Elektrolytkupfer mit einem In nendurchmesser von 15 mm und einem Außendurchmesser von 20 mm verbunden (Fig. 3).

Der mit Saphir gefüllte Klebstoff eignet sich auch noch für Anwendungen, bei denen die Verbindung von Mikrostruktur 4 und Rahmen 5 kryogenen Temperaturen bis 3 K standhalten muß. Bei Anwendungen, bei denen nicht so extreme Temperaturen auf die Klebeverbindung wirken, sind Kleber auf Epoxidbasis ebenfalls geeignet.

Die Verwendung eines Klebers für die Verbindung von Mikrostruktur 4 und Haltestruktur 5 hat den Vorteil, daß die Mikrostruktur 4 nicht so hohen Temperaturen ausgesetzt werden muß wie bei anderen Verbindungsverfahren wie z. B. Diffu sionslöten oder -schweißen oder anodisches Bonden. Bei der Verbindung von einer Mikrostruktur 4 mit einer Haltestruktur 5, die aus einem anderen Material besteht als die Mikrostruk tur 4, kann durch die Verwendung eines Klebers die Ausbildung thermischer Spannungen zwischen Mikrostruktur 4 und Hal testruktur 5 weitgehend vermieden werden.

Um den Rahmen 5 herum wurde auf die Opferschicht 3 ein Klebe band aufgeklebt. Beim anschließenden Entfernen des Klebebandes blieb die Opferschicht 3 an ihm hängen und wurde so von der Siliziumscheibe entfernt (Fig. 4). Die Mikrostruktur 4 mit Rahmen 5 wurde dann zusammen mit der Opferschicht 3 von der Siliziumscheibe gelöst, indem der Rahmen von ihr abgehoben wurde (Fig. 5).

Der Kohlenstoff der Trennschicht 2 verblieb größtenteils auf der Opferschicht und wurde in einem Sauerstoffplasma verbrannt (Fig. 6). Die Mikrostruktur 4 wurde mit dem Rahmen 5 in eine flußsäurehaltige Lösung getaucht, in der sich die Opferschicht 3 innerhalb weniger Sekunden auflöste (Fig. 7).

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß freitragende Mikrostruk turen hergestellt werden können und daß diese Mikrostrukturen bei der Ablösung vom Substrat durch die Opferschicht und den festen Rahmen stabilisiert werden, so daß sich ungewünschte, durch die Ablösung vom Substrat bedingte Veränderungen der Form der Mikrostrukturen vermeiden lassen. Das mechanische Ab lösen von Mikrostrukturen und Opferschicht vom Substrat wird dadurch erleichtert, daß an der relativ dicken Haltestruktur Werkzeuge angesetzt werden können. Durch das Herstellungsver fahren bedingte, in der Mikrostruktur etwa vorhandene Zugspan nungen werden nach der Ablösung vom Substrat und Entfernung der Opferschicht vom festen Rahmen aufgenommen, so daß sich hieraus keine Formveränderungen der Mikrostruktur ergeben. Die nach der Ablösung vom Substrat zugängliche große Oberfläche der Opferschicht und ihre geringe Dicke ermöglichen die schnelle Entfernung der Opferschicht innerhalb weniger Sekun den.

In einem weiteren Anwendungsbeispiel wird die Herstellung ei nes mechanischen Partikelfilters für Flüssigkeiten beschrie ben: Auf eine Glasscheibe 1 wurde eine ca. 0,5 µm dicke Kupferschicht 3 durch Magnetronsputtern aufgestäubt. Auf die ser Kupferschicht wurde mit den bekannten Methoden des LIGA- Verfahrens eine ca. 200 µm hohe wabenförmige Netzstruktur 4 mit ca. 100 µm großen Öffnungen und 7 µm breiten Stegen aus Nickel hergestellt.

Auf diese Netzstruktur 4 wurde mit einem Epoxydkleber eine 1 mm dicke gitterförmige Haltestruktur 5 aus Edelstahl geklebt, die mit einem geschlossenen ca. 20 · 60 mm großen Rahmen umge ben war und deren Stegabstand ca. 15 mm bei einer Stegbreite von 2 mm betrug. Mit der Haltestruktur 5 wurden die Mikrostruktur 4 und die Kupferschicht 3 von der Glasplatte 1 abgehoben und die Kupferschicht 3 in einer Ätzlösung aus Kupfer(II)-chlorid und Ammoniak bei Raumtemperatur selektiv gegen die Mikrostruktur aus Nickel aufgelöst.

Dieses Herstellungsverfahren weist neben den beim ersten An wendungsbeispiel genannten Vorteilen den Vorteil auf, daß keine Trennschicht benötigt wird, da sich die Kupferschicht auch ohne Trennschicht von der Glasplatte löst. Durch die Ver wendung einer gitterförmigen Haltestruktur wird eine sehr stabile freitragende Mikrostruktur hergestellt, die bei ihrem Einsatz als Partikelfilter einem größeren Strömungsdruck standhalten kann. Auf den Rahmen um die Gitterstruktur herum kann unter Umständen auch verzichtet werden. Allerdings wird die Ablösung von der Glasplatte dann erschwert und es besteht die Möglichkeit, daß die Mikrostruktur bei der Ablösung be schädigt wird.

Im dritten Anwendungsbeispiel wird die Herstellung eines Hoch paßfilters im fernen Infrarotbereich beschrieben: auf einer 0,5 mm dicken Siliziumscheibe 1 mit einem Durchmesser von 100 mm wurde eine 2 µm dicke Titanschicht 2 durch Magnetronsput tern aufgestäubt. Auf dieser Titanschicht 2 wurde eine 2 µm dicke Nickelschicht 3 aufgalvanisiert. Die aufgalvanisierte Nickelschicht 3 haftet nur bedingt auf der Titanschicht, so daß die Titanschicht 2 in diesem Fall als Trennschicht wirkt.

Mit den bekannten Methoden des LIGA-Verfahrens wurde eine ca. 120 µm dicke zusammenhängende Mikrostruktur 4 aus Gold herge stellt, die mit kreisrunden Löchern in einem hexagonalen Git ter dichtmöglichst perforiert war. Der Durchmesser der Löcher betrug dabei 50 µm. Der geringste Abstand der Ränder von je weils zwei Löchern betrug ca. 5 µm.

Auf diese Goldstruktur wurde ein 2,5 mm dicker Titanrahmen 5 mit einem Innendurchmesser von ca. 15 mm und einem Außendurchmesser von ca. 20 mm mit einem Saphir gefüllten 2- Komponenten-Kleber geklebt. Mit dem Rahmen 5 wurden die Mikrostruktur und die Nickelschicht von der Titantrennschicht abgehoben. In einer 30%igen Salpetersäurelösung wurde die Nickelschicht 3 aufgelöst, so daß ein freitragendes Hochpaß filter für den fernen Infrarotbereich entstand.

Dieses Herstellungsverfahren hat neben den beim ersten Ausfüh rungsbeispiel genannten Vorteilen den Vorteil, daß die Trenn schicht vollständig auf der Siliziumscheibe verbleibt und vor der Auflösung der Nickelschicht nicht von dieser entfernt wer den muß.

Bezugszeichenliste

1 Substrat
2 Trennschicht
3 Opferschicht
4 Mikrostruktur
5 Haltestruktur

Claims

1. Verfahren zur Herstellung freitragender Mikrostrukturen, bei dem auf ein Substrat mindestens eine Schicht aufge bracht wird, auf welche dann die Mikrostruktur aufgebaut wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a) direkt auf der Mikrostruktur (4) eine Haltestruktur (5) aufgebracht wird, dann
b) die Schicht (Opferschicht (3)) mit der Mikrostruktur (4) und der Haltestruktur (5) vom Substrat (1) abgehoben wird, worauf
c) die Opferschicht (3) von der mit der Haltestruktur (5) verbundenen Mikrostruktur (4) entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwi schen Substrat (1) und Opferschicht (3) eine weitere Schicht als Trennschicht (2) liegt, welche Schritt b) von Anspruch 1 erleichtert und welche bei Schritt c) von An spruch 1 ebenfalls entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Opferschicht (3) aus Titan besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht (2) aus Kohlenstoff besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltestruktur (5) auf die Mikrostruktur (4) geklebt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus Silizium besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostruktur (4) aus einem galva nisch abscheidbaren Metall besteht.