DE4114269C2 - Verfahren zum gruppenweisen Herstellen von Mikrostrukturen, welche mindestens an einer Seite mit einer Membran verschlossen sind - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gruppenweisen Her­ stellen von Mikrostrukturen, welche mindestens an einer Seite mit einer Membran verschlossen sind, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der EP 0 104 685 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Maske für die Mustererzeugung in der Röntgentiefenlithographie bekannt. Dabei wird die Maske (= Mikrostrukturen) auf drei Trägerschichten aufgebaut. Das Ergebnis des Verfahrens ist dann die Mikrostruktur auf einer Trägermembran.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß die einzelnen Mi­ krostrukturen über die Trägermembran miteinander verbunden bleiben, wodurch die Verwendung einzelner Mikrostrukturen als eigenständige Teile erschwert wird. Eine sich für den Fachmann von selbst ergebende Lösung dieses Problems bestünde in der Auflösung der Membran zwischen den einzelnen Mikrostrukturen nach vorheriger fotolithographischer Strukturierung einer auf der Membran aufgebrachten Resistschicht. Allerdings besteht dabei die Gefahr, daß die einzelnen Mikrostrukturen durch das Lösungsmittel weggeschwemmt werden und wegen ihrer geringen Größe nur noch schwer auffindbar und vom Lösungsmittel zu trennen sind. Außerdem ist die Entfernung der auf den Mi­ krostrukturen verbleibenden Resistreste schwierig, die beim späteren Einsatz der Mikrostrukturen hinderlich sein können.

Aus der DE 40 28 647 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von zweidimensionalen Lochmasken bekannt. Dabei fallen die ausge­ schnittenen Scheiben nach unten und die Zuordnung geht verlo­ ren. Dickere Strukturen lassen sich mit diesem Verfahren nicht vereinzeln.

Des weiteren sind aus der DE 35 29 966 C1 und der DE 35 25 067 A1 Masken bekannt, die auf einer Membran bildmäßig verteilte strahlungsabsorbierende Bereiche enthalten. Die Strukturen ha­ ben Dicken im µm-Bereich und lassen sich so relativ leicht vereinzeln.

Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren der gattungsge­ mäßen Art so zu modifizieren, daß die Mikrostrukturen vonein­ ander getrennt werden und von jeglichen durch die Fertigung bedingten Rückständen frei in geordneter Anordnung vorliegen, so daß sie sich nach ihrer Herstellung auf einfache Weise handhaben lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 9 und dreier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen die Figuren die einzelnen Verfahrensschritte.

Nach dem in EP 0 104 685 beschriebenen Verfahren wurden meh­ rere ca. 28 µm hohe Mikrostrukturen 1 nebeneinander auf einer über einem Rahmen 2 frei gespannten, ca. 3 µm dünnen Titanmem­ bran 3 hergestellt (Fig. 1). Die Mikrostrukturen 1 wurden mit den bekannten Methoden des LIGA-Verfahrens (E. W. Becker et al, Microcircuit Engineering 4 (1986), Seiten 35 bis 56) aus Nickel so hergestellt, daß sich später einseitig mit einer Mikromembran verschlossene Strukturen ergaben. Größe, Form und innere Spannung der Mikromembranen wurde so gewählt, daß die Resonanzfrequenz von Mikromembran und Mikrostruktur für me­ chanische Schwingungen im Ultraschallbereich liegen und daß die Resonanzfrequenz von der Temperatur von Mikrostruktur und Mikromembran abhängig ist, so daß über die Messung der Reso­ nanzfrequenz eine Temperaturmessung durchgeführt werden kann.

Die Titanmembran 3 wurde auf einer Lackschleuder mit einer ca. 11 µm dicken Fotolackschicht eines Positivlackes 4 beschich­ tet. Als Fotolack finden fotoempfindliche Resists Anwendung. Auf die Fotolackschicht wurde eine Chrom-Glas-Maske 5 gelegt, auf der um die Formen der späteren Mikromembranen herum 10 bis 100 µm breite Streifen 6 vom Chrom befreit worden waren (Fig. 2). Mit einem Mikroskop, in dessen Strahlengang zur Vermeidung einer ungewollten Belichtung des Fotolackes ein Gelbfilter eingebracht worden war, wurde die Chrom-Glas-Maske relativ zu den auf der gegenüberliegenden Membranseite befindlichen Mikrostrukturen 1 justiert, indem durch die Mikrostrukturen verursachte Membranverzüge beobachtet wurden.

Die Fotolackschicht wurde belichtet und in einer handelsübli­ chen Entwicklerlösung entwickelt, so daß um die spätere Mikro­ membran herum 10 bis 100 µm breite Streifen 4a vom Fotolack befreit wurden (Fig. 3). Die Membran wurde dann in den Rezipi­ enten einer Anlage fürs reaktive Ionenätzen gebracht. Der Rah­ men wurde dort so über eine Unterlage 7 gelegt, daß diese Un­ terlage der Membran näher kam, als die schmalste Breite je­ weils einer zusammenhängenden Mikrostruktur. Für die Vereinze­ lung 1 mm breiter Mikrostrukturen wurde ein Abstand von 0,1 mm gewählt.

Im Rezipienten wurde durch ein elektrisches Hochfrequenzfeld, das mit einer Senderleistung von 100 W erzeugt wurde, ein Plasma erzeugt. Mit Hilfe dieses Plasmas wurde durch reaktives Ionenätzen mit dem Arbeitsgas Tetrafluormethan bei einem Druck von 1 Pa und einem Gasfluß von 10 sccm die Membran im Bereich der um die Mikrostrukturen herumlaufenden Streifen durch­ trennt, so daß die Mikrostrukturen unmittelbar unterhalb ihrer vormaligen Position auf der Membran auf die Unterlage fielen (Fig. 4). Da nur ein relativ schmaler Streifen um die Mikrostrukturen herum durchtrennt wurde, bestand nicht die Ge­ fahr, daß sich die Membran an einer Seite zuerst löst und sich die laterale Position der Mikrostrukturen dadurch in unge­ wünschter Weise verändert. Da der Abstand zwischen frei ge­ spannter Membran und Unterlage geringer war als die kleinste wirksame Breite der Mikrostrukturen, bestand nicht die Gefahr, daß sich die Mikrostrukturen beim Heraustrennen aus der Mem­ bran umkehren. Deshalb war es möglich, anschließend mit einem Sauerstoffplasma, das bei einem Druck von 1 Pa und einem Gas­ fluß von 10 sccm mit einer Hochfrequenzsenderleistung von 60 W erzeugt wurde, auf den Mikromembranen verbliebene Lackreste 8 zu entfernen.

Lackreste auf den Mikromembranen brauchen nicht in einem zu­ sätzlichen Verfahrensschritt entfernt zu werden, wenn die Dicke des Fotolacks von vornherein so dünn gewählt wird, daß der Fotolack durch den Plasmaprozeß mit Tetrafluormethan be­ reits abgetragen wird, bevor die Membran um die Mikrostruktu­ ren herum durchtrennt ist. Fig. 5 zeigt die Anordnung während des Plasmaätzens, nachdem der Fotolack vollständig entfernt ist. Solange noch Fotolack auf der Membran vorhanden war, ent­ standen die Streifen 3a um die späteren Mikromembranen herum. Nachdem der Fotolack entfernt ist, wird die Membran durch den Plasmaprozeß auf der gesamten Oberfläche abgetragen. Die ge­ naue Kenntnis der Abtragsraten von Fotolack und Membranmate­ rial ermöglicht es dabei über die Dicke des Fotolackes die Dicke der Mikromembranen einzustellen. So können aus einer Charge von gleich dicken Membranen, auf denen gleiche Mi­ krostrukturen hergestellt wurden, Mikrostrukturen gefertigt werden, die mit unterschiedlich dicken Mikromembranen einsei­ tig verschlossen sind.

In einem weiteren Anwendungsbeispiel wurden Mikrostrukturen durch eine partielle Auflösung der Membran in einer Säure ver­ einzelt.

Auf eine 50×80 mm² grobe und 6 mm dicke Metallplatte aus ei­ ner Eisen-Nickel-Legierung wurde eine 3 µm dünne Titanschicht durch Magnetronzerstäubung aufgebracht. Auf dieser Titan­ schicht wurden mit dem LIGA-Verfahren ca. 30 µm hohe Mikrostrukturen aus Gold hergestellt. Danach wurde die Metall­ platte im mittleren Bereich weggeätzt, so daß eine über einem Rahmen frei gespannte Titanmembran 3 mit darauf angebrachten Mikrostrukturen 1 entstand (Fig. 6). Größe und Form der Mikrostrukturen und die innere Spannung der Membran wurden so gewählt, daß sich nach der Vereinzelung der Strukturen über ihnen frei gespannte Mikromembranen ergaben, deren Resonanz­ frequenzen für mechanische Schwingungen im Ultraschallbereich liegen und daß die Resonanzfrequenz von der Temperatur von Mikrostruktur und Mikromembran abhängig ist, so daß über die Messung der Resonanzfrequenz eine Temperaturmessung durchge­ führt werden kann.

Die Seite der Membran, auf der die Mikrostrukturen angebracht waren, wurde mit einem Positivfotolack 3,5 µm dick beschich­ tet. Für eine optimale Abdichtung der Titanmembran im Bereich der Strukturkanten wäre es wünschenswert, daß die Strukturen vom Fotolack voll umschlossen werden. Da sich handelsübliche Fotolacke aber in der Regel nicht in einfacher Weise mehr als 30 µm dick aufbringen lassen, wurde ein 3,5 µm dicker Fotolack aufgebracht, der eine bessere Abdichtung gewährleistet als ein dünnerer Lack.

Eine Chrom-Glas-Maske, auf der um die Formen der späteren Mi­ kromembranen herum 10 bis 100 µm breite Streifen vom Chrom be­ freit worden waren, wurde relativ zu den Strukturen justiert und dann der Fotolack belichtet. Nach der Entwicklung des Fo­ tolacks ergaben sich dann um die Strukturen herum Streifen mit direktem Zugang zur Membran. Der nach der Entwicklung auf der Membran verbliebene Fotolack wurde belichtet. Auf der Rück­ seite der Membran wurde eine Schutzschicht 9 aus einem Resist aufgeschleudert (Fig. 6). Die Dicke d dieser Resistschicht (0,5 d 5 µm) sollte einerseits so dünn sein, daß sie sich später leicht wieder entfernen läßt, und muß andererseits so dick sein, daß sie den äußeren Beanspruchungen bei der wei­ teren Prozeßfolge standhält und die Mikrostrukturen sicher hält.

Mit 5%iger Flußsäure wurde dann die Titanmembran 3 im Bereich der die Strukturen umgebenden Streifen durchtrennt. Dabei ver­ hinderte die Schutzschicht 9, daß Säure auf der den Strukturen abgewandten Seite der Membran 3 an ungewünschter Stelle die Membran beschädigte. Der auf der Membran verbliebene Fotolack 4 wurde in einem Entwicklerbad mit einem handelsüblichen Ent­ wickler entfernt. Die Probe wurde mit den Mikrostrukturen nach unten in den Rezipienten einer Plasmaätzanlage gelegt und die Schutzschicht 9 mit einem Sauerstoffplasma, das bei einem Druck von 1 Pa und einem Gasfluß von 10 sccm mit einer elek­ trischen Leistung von 60 W erzeugt wurde, entfernt (Fig. 7). Nach Entfernung des Rahmens 2 lagen die einseitig mit einer Membran verschlossenen Mikrostrukturen 1 in der gleichen An­ ordnung vor, in der sie auf der Membran hergestellt worden wa­ ren.

Im dritten Anwendungsbeispiel wird beschrieben, wie einseitig mit einer Membran verschlossene Mikrostrukturen mit Hilfe eines Elektronenstrahlschreibers und durch reaktives Ionenätzen vereinzelt werden können.

Wie im zweiten Anwendungsbeispiel wird auf eine 50×80 mm² grobe und 6 mm dicke Metallplatte aus einer Eisen-Nickel-Le­ gierung eine 3 µm dünne Titanschicht durch Magnetronzerstäu­ bung aufgebracht. Auf dieser Titanschicht werden mit dem LIGA-Verfahren ca. 40 µm hohe Mikrostrukturen aus Nickel herge­ stellt. Zusammen mit der Herstellung der Mikrostrukturen wer­ den Justierstrukturen hergestellt. Danach wird die Metall­ platte im mittleren Bereich weggeätzt, so daß eine über einem Rahmen frei gespannte Titanmembran 3 mit darauf angebrachten Mikrostrukturen 1 und Justierstrukturen 10 entsteht (Fig. 8). Größe und Form der Mikrostrukturen 1 und die innere Spannung der Membran werden so gewählt, daß sich nach der Vereinzelung der Strukturen über ihnen frei gespannte Mikromembranen erge­ ben, deren Resonanzfrequenzen für mechanische Schwingungen im Ultraschallbereich liegen und daß die Resonanzfrequenz von der Dehnung von Mikrostruktur und Mikromembran abhängig ist, so daß über die Messung der Resonanzfrequenz eine Dehnungsmessung durchgeführt werden kann.

Die Titanmembran 3 wird auf einer Lackschleuder mit einer ca. 1 µm dicken Schicht eines Positivresistes 4 beschichtet. Mit einem Elektronenstrahlschreiber wird die genaue Lage der Ju­ stierstrukturen 10 gemessen. Aus der Lage der Justierstruktu­ ren 10 und aus den Designwerten der Mikrostrukturen 1 wird die Lage der Mikrostrukturen relativ zum Tisch des Elektronen­ strahlschreibers berechnet und um die Mikrostrukturen herum ein ca. 10 µm breiter Resiststreifen belichtet. Die Verwendung der Justierstrukturen 10 hat dabei den Vorteil, daß die Be­ lichtung des Resistes 4 an ungewünschter Stelle, die bei der ohne die Justierstrukturen 10 notwendigen Suche mit dem Elek­ tronenstrahl nach der genauen Lage der Mikrostrukturen 1 auf­ treten kann, vermieden wird.

Der Resist 4 wird in einem handelsüblichen Entwickler ent­ wickelt und die Membran wird in den Rezipienten einer Anlage fürs reaktive Ionenätzen gebracht. Der Rahmen wird dort so über eine Unterlage 7 gelegt, daß diese Unterlage der Membran näher kommt, als die schmalste Breite jeweils einer zusammen­ hängenden Mikrostruktur (vergl. Fig. 9).

Im Rezipienten wird durch ein elektrisches Hochfrequenzfeld, das mit einer Senderleistung von ca. 100 W erzeugt wird, ein Plasma erzeugt. Mit Hilfe dieses Plasmas wird durch reaktives Ionenätzen mit dem Arbeitsgas Tetrafluormethan bei einem Druck von 1 Pa und einem Gasfluß von 10 sccm die Membran im Bereich der um die Mikrostrukturen herumlaufenden Streifen durch­ trennt, so daß die Mikrostrukturen 1 unmittelbar unterhalb ih­ rer vormaligen Position auf der Membran auf die Unterlage fal­ len. Die Abtragsrate an den Mikrostrukturen aus Nickel ist beim reaktiven Ionenätzen bei den genannten Bedingungen ca. sechsmal kleiner als die Abtragsrate der Membran aus Titan. Ein kleiner Abtrag von ca. 0,5 µm an den 40 µm hohen Nickel­ strukturen kann in Kauf genommen werden, da er die Funktion der Mikrostrukturen einerseits nicht beeinträchtigt und da an­ dererseits bei der Herstellung der Strukturen ein gewisser Vorhalt in der Strukturhöhe vorgesehen werden kann.

Da nur ein relativ schmaler Streifen um die Mikrostrukturen herum durchtrennt wird, besteht nicht die Gefahr, daß sich die Membran an einer Seite zuerst löst und sich die laterale Posi­ tion der Mikrostrukturen dadurch in ungewünschter Weise verän­ dert. Da der Abstand zwischen frei gespannter Membran und Un­ terlage geringer ist als die kleinste Breite der Mikrostruktu­ ren besteht nicht die Gefahr, daß sich die Mikrostrukturen beim Heraustrennen aus der Membran umkehren. Deshalb ist es möglich, anschließend mit einem Sauerstoffplasma, das bei ei­ nem Druck von 1 Pa und einem Gasfluß von 10 sccm mit einer Hochfrequenzsenderleistung von 60 W erzeugt wird, auf den Mikromembranen verbliebene Lackreste zu entfernen.

Claims (1)

1. Verfahren zum gruppenweisen Herstellen von Mikrostrukturen, welche mindestens an einer Seite mit einer Membran ver­ schlossen sind, wobei sich die Mikrostrukturen in Gruppen auf einer Seite einer Trägermembran befinden, welche über einem Rahmen frei gespannt ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

   • a) Beschichten der Membran (3) mit einer Resistschicht (4) auf derjenigen Seite, bei welcher die spätere Durchtrennung der Membran (3) beginnt,
   • b) Entfernen der Resistschicht (4) in schmalen, in sich zusam­ menhängenden Streifen (4a), welche eine Breite zwischen 10 und 100 µm haben, um die Mikrostrukturen herum,
   • c) Anordnen einer Unterlage (7) derart, daß der Abstand zwi­ schen den Mikrostrukturen (1) und der Unterlage (7) so klein ist, daß die Mikrostrukturen beim Herabfallen nicht umkippen können, und
   • d) Durchtrennen der Membran (3) in den von der Resistschicht befreiten Bereichen (4a), wobei zum Entfernen der Streifen (4a) eine Justierung bezüglich der Mikrostrukturen (1) vorgenommen wird und daß die Justierung mit Hilfe von Justierstrukturen (10) erfolgt oder daß bei der Justierung eine Maske (5) relativ zu den auf der gegenüberliegenden Membranseite befindlichen Mikrostrukturen justiert wird, indem durch die Mikrostrukturen (1) verursachte Membranver­ züge beobachtet werden.