Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 23 zur Herstellung von zweischichtigen lichtleitenden MikroStrukturen durch Abformtechnik.

Mit zunehmendem Fortschritt der Mikrosystemtechnik besteht ein steigender Bedarf an lichtleitenden optischen MikroStrukturen . Lichtleitende MikroStrukturen, insbesondere lichtleitende LIGA-Mikrostrukturen, wurden bisher durch lithographische Verfahren hergestellt.

Bekannt sind lichtleitende MikroStrukturen , hergestellt d u rch röntgentiefenlithographische Strukturierung eines dreischichtgen Resistsystems. Dazu wird ein Dreischichtsystem, bestehend aus Mantel-, Kern- und Mantelschicht, verschweißt und anschließend d urch Röntgentiefenlithograhie strukturiert (C. Müller, J. Mohr: A Microspectrometer Fabricated by the LIGA Process; Interdisciplinary Science Review, Vol. 18, No. 3, 1993). Ferner ist in der Veröffentlichung von J. Göttert, J. Mohr, C. Müller, Examples and Potential Applications of LIGA Components in Micro-Optics, B.G. Teubner Verlagsgesellschaft, 1993, insbesondere auf S. 222, eine Abformtechnik von LIGA-Mikrostrukturen beschrieben, wobei ein einschichtiges Material verwendet wird. Schließlich ist dort auf S. 227 ein Verfahren zur Herstellung von lichtleitenden MikroStrukturen gezeigt und beschrieben, die aus einem dreischichtigen Aufbau bestehen und durch parallele Röntgenstrahlung, wie sie an einem Synchrotron erzeugt wird, strukturiert werden.

Andere Herstellungsverfahren für Spektrometerbausteine (als Beispiel für eine lichtleitende MikroStruktur) sind durch die Fertigung in Hybridtechnik mit großem Aufwand an Aufbau- und Verbindungstechnik sowie Justieraufwand der Einzelkomponeten zueinander (Gitter, Führungsschächte für Einkoppelfaser und Diodenzeile) verbunden, damit auch personalintensiv in der Herstellung und somit teuer.

Die Herstellung von lichtleitenden MikroStrukturen, beispielsweise Gitterspektrometerbausteinen durch Röntgentiefenlithographie (RTL), ist mit erheblichen Kosten durch die Investition einer Röntgenquelle verbunden. Auch die Herstellungszeit für einen Gitterspektrometer ist bei RTL länger als beim Abformen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren und die in Anspruch 23 beschriebene Vorrichtung gelöst.

Die Lichtleitung erfolgt in der Kernschicht durch Totalreflexion des Lichtes an der Grenzschicht zwischen Kern- und Mantelschicht (B. Anderer, W. Ehrfeld, Grundlagen für die röntgentiefenlithographische Herstellung eines planaren Wellenlängen-Demultiplexers mit selbstfokusierendem Reflexionsgitter, März 1990, Kerπforschungszentrum Karlsruhe, KfK-Bericht 4702). Die Kernschicht aus Kunststoff ist von einer Mantelschicht mit kleinerem Brechungsindex, die aus Kunststoff bzw. Luft besteht, umgeben. Durch das vorgeschlagene Verfahren wi rd erreicht, daß lichtleitende MikroStrukturen im Zweischichtaufbau kostengünstiger aus einer mikrostrukturierten Kernschicht auf einer Mantelschicht, die teilweise strukturiert sein kann, gefertigt werden können. Als Deckschicht dient Luft. Statt Luft kann bei optischen Bauteilen ohne Gehäuse zum Schutz vor Umwelteinflüssen eine weitere Schicht als Deckschicht aufgebracht werden. Das vorgeschlagene Verfahren kann unterschiedlich ausgeführt werden. Diese Ausführungen werden im folgenden Zweischrittwarmumformen, Zweischichtwarmumformen und Reaktionsguß bezeichnet.

Beim Zweischrittwarmumformen wird zuerst eine Kernschicht durch Vakuumwarmumformen mit Hilfe eines Stempels mikrostrukturiert. Dabei wird die zunächst unstrukturierte Kemschicht entweder in der gewünschten Dicke oder entsprechend der Füllmenge, die in das vorgesehene Formnest des Abformwerkzeuges paßt, vorgelegt. Nach dem Vakuumwarmumformen der Kernschicht wird die Mantelschicht an die Kemschicht angeschweißt, indem die Kunststoffe von Kern- und Mantelschicht auf eine Temperatur in der Nähe d e r Ü b e r g a n g s t e m p e r a t u r ( b e i a m o r p h e n P o l y m e r e n = Glasübergangstemperatur) erwärmt und zusammengepreßt werden.

Bei Zweischichtwarmumformen wird zunächst ein Schichtverbund aus Kern- und Mantelschicht als unstrukturierter Folienstapel hergestellt, danach erfolgt das Einstellen der gewünschten Foliendicke und anschließendes Verschweißen d e r F o l i e n . S c h l i e ß l i c h w i r d d e r F o l i e n s t a p e l i n e i n e r Vakuumwarmumformmaschine so strukturiert, daß zumindest die Kernschicht die gewünschte MikroStruktur trägt. Das Verschweißen der Mantelschicht mit der Kernschicht kann auch erst während des Warmumformens erfolgen.

Beim Reaktionsguß wird die Kernschicht durch Polymerisation eines Monomer- Polymergemisches im Formnest hergestellt. Dadurch wird eine vollständige Füllung des Formnestes erreicht. Anschließend erfolgt das Verschweißen der Kernschicht mit der Mantelschicht.

Eine weitere Alternative im Herstellungsprozeß ist die Verbindung der Mantelschicht mit der Kemschicht nicht durch Verschweißen, sondern durch einen Reaktionsguß der Mantelschicht direkt auf der Kernschicht (unstrukturiert oder strukturiert) zu realisieren. Im Falle von PMMA (Polymethymethacrylat) als Mantelschicht und PMMA-Copolymer als Kemschicht erfolgt jedoch während der Polymerisation der Mantelschicht auf der Kernschicht ein Eindiffundieren von Monomer des Mantelmaterials in die Kernschicht, so daß sich an der Grenzschicht die optischen und mechanischen Eigenschaften der Kernschicht ändern. Dies hat beispielsweise eine Spannungsrißbildung in der Kernschicht zur Folge, die die optischen MikroStrukturen unbrauchbar macht. Somit ist eine Polymerisation der Mantelschicht auf die Kernschicht nur dann möglich, wenn Materialpaarungen verwendet werden, die ein Eindiffundiereπ von Mantelmaterial unter Beeinträchtigung des Kernmaterials verhindern. Weitere mögliche Werkstoffe sind grundsätzlich alle transparenten Kunststoffe, insbesondere Polycarbonate (PC) und deren Copolymere sowie Copolymer der Prolyolefine (COC).

Weitere zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Vorrichtung bestehend aus einer Matrize mit Zubehör,

Fig. 2 eine Vorrichtung mit einer Matrize, einem Stempel und einer dazwischen eingelegten Kernschicht,

Fig. 3 den Zustand der Kemschicht nach dem Warmumformen,

Fig. 4 die in den Formnestern eingebrachte Kernschicht sowie die Matrize und den Stempel, zwischen die die Mantelschicht eingelegt ist,

Fig. 5 den Verfahrenszusta nd nach d em Versch we ißen der Maπtelschicht auf die Kernschicht und

Fig. 6 eine lichtleitende Struktur nach dem Abformen.

Anhand der Figuren 1 bis 6 werde das Verfahren und die Vorrichtung genauer erläutert. Als Beispiel für eine lichtleitende MikroStruktur wurde ein Gitterspektrometerbaustein ausgewählt, der mit LIGA-Formeinsätzen als Matrizen 10 abgeformt wird.

Zunächst werden die Kemschicht 30 und Mantelschicht 40 getrennt als Folie polymerisiert bzw. Folien geprägt oder aus Granulat extrudiert und spritzgegossen. Zur Vorbereitung der Abformung werden die Folien 30 und 40

auf ihre Sollmaße bearbeitet. Für die Herstellung eines Gitterspektrometerbausteins beträgt die Dicke der Kernschicht 30 vor der Abformung 5 bis 2000 //m und die Dicke der Mantelschicht 40 von 7 bis 5000 μm. Zur Ankopplung des Gitterspektrometerbausteins an Multimodefasern sind Kernschichtdicken von 50 bis 110 vorzugsweise 80 μm, und Mantelschichtdicken, vorzugsweise 400 bis 1000 μ , einzustellen. Die Kernschicht 30 besteht aus PMMA (Polymethylmethacrylat), die aus MMA und einem Initiator hergestellt wird. Die Mantelschicht 40 besteht aus 70-80 % MMA mit 20-30 % TFPMA-Copolymer, ein fluoriertes Copolymer des PMMA, und einem Initiator. Der Initiator sorgt für die Polymerisation des Materials. Grundsätzlich können für die Kernschicht 30 und Mantelschicht 40 auch andere Materialien eingesetzt werden, beispielsweise transparente Kunststoffe, insbesondere Polycarbonate (PC) oder Copolymere oder Copolymere der Polyolefine (COC), es muß jedoch ein Unterschied im Brechungsindex zwischen der Kernschicht 30, bzw. geprägte Kemschicht 35 und der Mantelschicht 40, bzw. geprägten Mantelschicht 45 bestehen, daß sich beim Fügen eine Grenzschicht 50 ausbildet, an der das Licht, das in der geprägten Kernschicht 35 mit höherem Brechungsindex geführt wird, refektiert wird. Für die Kernschicht 30 bzw. geprägten Kernschicht 35 ergibt sich ein Brechungsindex von n = 1,49 bei einer Wellenlänge von 590 nm, für die Mantelschicht 40, bzw. geprägten Mantelschicht 45 ein n =1.467. Nach der Folienbearbeitung durch Polierfräsen bzw. Warmprägen wird die Kernschicht 30 durch Vakuumwarmumformen mikrostrukturiert. Zum Vakuumwarmumformen werden eine Vorrichtung, bestehend aus mindestens einer Matrize 10, die MikroStrukturen aufweist, und einem Stempel 20, der MikroStrukturen aufweisen kann, verwendet. Die Matrize 10 wird häufig auch als Werkzeugplatte mit Formeinsätzen 10 ausgeführt. Im Falle eines Gitterspektrometerbausteins werden harte Matrizen 10 bzw. Formeinsätze 10 aus Nickel oder Nickellegierungen, die beispielsweise galvanisch hergestellt wurden, verwendet.

Die Härte der Nickelformeinsätze weist mindestens 200 HV (0,1 ), die Härte vor der ersten Abformung bei Nickel 350 HV (0, 1 ) bei Nickellegierungen mindestens 400 HV (0, 1 ) auf. Diese Matrizen 10 bzw. Formeinsätze 10 werden durch das LIGA-Verfahren hergestellt. Es sind jedoch auch mechanich gefertigte Formeinsätze aus Messing oder Aluminiumlegierungen einsetzbar. Die Formeinsätze 10 weisen ein oder mehrere Formnester 15 auf, die vorteilhaft scharfe Kanten zur Formeinsatzstirnfläche aufweisen. Die Ebenheit der Formeinsätze ist besser als 50 μm Wölbung.

Als Stempel 20 wurden bevorzugt weiche Stempel 20 eingesetzt, die aus weichgeglühtem Aluminium oder Aluminiumlegierungen bestehen und eine Vickershärte von 15 bis 45 HV (0,1 ) aufweisen. Ebenfalls eignen sich Stempel 20 aus Elastomer, beispielsweise EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Elastomer) und weiche Stempel 20 aus Silikon, Kautschuk oder Silikon-Kautschuk. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Stempels 20 ist die Verwendung einer Polyimidfolie (Kapton) oder Folie aus Fluorkunststoffen als Ersatz oder zusätzliche Deckschicht bzw. Beschichtung zu den aufgeführten Stempelmaterialien. Somit ergibt sich, abhängig von der abzuformenden Struktur, ein Stempel bestehend aus einem Elastomer oder aus einem Stapelaufbau, der unten mit einem Metallstempel beginnt, dann beispielsweise eine obere Platte 21 aus einer Aluminiumlegierung oder Silikonkautschuk folgt und schließlich die Stempeloberfläche 25 mit einer Polyimidfolie oder Teflonbeschichtung abschließt. Als Ersatz für den Silikonkautschuk ist bei bestimmten Strukturen eine obere Platte 21 aus Silikon, Kautschuk oder EPDM- Elastomer einsetzbar. Entscheidend für die Strukturierung von Kern- und Mantelschicht ist jedoch, daß sie mit den Folien und Beschichtungen aus Polyimiden oder Fluorkunststoffen keine Verbindung eingehen. Damit im Falle eines metallischen Stempels die Kanten am Formeinsatz nicht frühzeitig stumpf werden, sollte die Dicke der Folie bzw. der Beschichtung dicker sein als die

Differenz zwischen Tiefe des Formnestes 1 5 und der geprägten Kernschichtdicke 35.

I n e i n e r bes o nd e re n Au s f ü h r u n g sfo r m d es Ve rfa h re ns , d e m Zweischichtwarmumformen, bei dem die Kern- und Mantelschichten bereits gefügt sind oder nur lose aufeinander liegen, ist die Mantelschicht 40 identisch mit dem Stempel 20 für die Warmumformung der Kernschicht 30. Hier wird keine Folie oder Beschichtung auf die Mantelschicht 40 als Stempel 20 aufgebracht, damit die Mantelschicht 40 sich spätestens beim Umformen mit der Kernschicht 30 verbindet.

Die Umformung der Kemschicht 30 aus PMMA wird mit Umformkräften zwischen 5 und 100 kN bei Umformtemperaturen zwischen 105 und 260 °C durchgeführt. Für den Spektrometerbaustein beträgt die optimale Umformkraft 45 kN bei 176 °C, ist jedoch maschinenabhängig. Besonders gute Ergebnisse zur Formfüllung erhält man beim Umformen unter Vakuum. Bei diesen Prozeßparametern wird mit Hilfe eines weichen Stempels 20, der beim Warmumformen gegen die Formeinsatzstirnfläche gedrückt wird, die Kernschicht in die Formnester geprägt und eine minimale Restschichtdicke erreicht, die als unstrukturierte Schicht in einer Dicke von 0 bis ca. 50 μm an der Werkzeugstirnfläche verbleibt. Vorteilhaft ist der Einsatz eines weichgeglühten Reinaluminiumstempels 20 der Härte 30 HV (0, 1 ) mit einer 75 μm dicken Kaptonfolie aus Polyimid (Kapton) als Stempeloberfläche 25 mit der Funktion einer Trennschicht. Werden die Umformparameter richtig gewählt, so ergibt sich an den Kanten der Formnester eine geringe Restschichtdicke und damit geringe Lichtverluste beim Ankoppeln von Lichtleitfasern an die abgeformten optischen MikroStrukturen. Insbesondere bei MikroStrukturen mit vergleichsweise großen Formnestern wird eine Restschichtdicke von ca. O μm dadurch erreicht, daß die Kernschicht 30 in Form einer Unterteilung in Stücke

mit ihrer Schichtdicke und lateralen Maßen an das Volumen der zu füllenden Formnester 15 des Formeinsatzes 10 angepaßt wird. Bei MikroStrukturen allgemeiner Art wird eine geringe Restschichtdicke dadurch erreicht, daß die

Dicke der Kernschicht 30 kleiner ist als die Tiefe der Formnester 15 im Formeinsatz 10.

Zur Anwendung sind denkbar Kernschicht und Formnesttiefe zwischen 5 und 200 μm bei Maπtelschichtdicken von 7 bis 5000 μm. Für optische MikroStrukturen für den Multimode-Einsatz haben sich Kernschichtdicken von 50 bis 100 μm, Formnesttiefen von 80 bis 120 μm und Mantelschichtdicken bis 490 μm bewährt.

Nach dem Warmumformen der Kernschicht 30 verbleibt die geprägte Kernschicht 35 zunächst in den Formnestern des Formeinsatzes und es wird die Mantelschicht 40 auf die geprägte Kemschicht 35 verschweißt. Das Verschweißen erfolgt ebenfalls unter Vakuum, wobei die geprägte Kernschicht 35 und Mantelschicht 40 bis auf eine Temperatur von 80 bis 230 °C erwärmt und bei Umformkräften von 0,1 bis 50 kN verschweißt werden. Im Falle des Gitterspektrometers ist ein günstiger Parametersatz für das Verschweißen 138 °C und 450 N. Anschließend wird der Gitterspektrometerbaustein im zweischichtigen Aufbau - bestehend aus einer geprägten Kernschicht 35 und einer geprägten Mantelschicht 45 - aus dem Formeinsatz 10 entfernt. Analog dazu können andere lichtleitende MikroStrukturen abgeformt werden. Es müssen jedoch die Abform- und Verweißparameter an die jeweilige Geometrie der MikroStruktur angepaßt werden.

Nach dem Warmumformen und Verschleißen liegt eine lichtleitende Struktur vor, die eine Stufe aufweist. Die Stufe wird erzeugt zwischen dem strukturierten Bereich und dem unstrukturierten Bereich. Im strukturierten

Bereich befindet sich die Kernschicht und je nach Verfahrensdurchführung ggf. auch ein Teil der Mantelschicht. Die Höhe der Stufe wird entsprechend an das Maß des Innendurchmessers bzw. an das Maß aus der Summe des Innendurchmessers und der einfachen Wandstärke der Lichtleitfasern angepaßt. So mündet im besten Falle die Kernschicht in den Innendurchmesser (Kern) der Lichtleitfaser und der strukturierte Bereich von der Mantelschicht wird von der Wandstärke der Lichtleitfaser überdeckt. Damit dies gelingest die Tiefe des Formnestes 15 kleiner oder gleich der geprägten Kernschicht 35.