Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formeinsätzen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Durch Abformverfahren wie Spritzguß und Warmumformung werden MikroStrukturen aus thermoplastischen Kunststoffen in großer Anzahl und zu günstigen Preisen gefertigt. Formgebendes Ele¬ ment bei diesen Abformverfahren sind Formeinsätze, die bei er¬ höhten Temperaturen mit dem Kunststoff in Berührung gebracht werden. Das Relief der durch Abformung hergestellten Mi- krostrukturen ist deshalb wesentlich durch die dreidimensio¬ nale Form der Oberfläche des Formeinsatzes bestimmt.

In dem Beitrag "Molding of Threedimensional Microstructures by The LIGA Process" aus den Proceedings der Konferenz MEMS'92, die 1992 in Travemünde stattfand, iεt auf den Seiten 202 bis 207 von den Autoren M. Harmening et. al. ein Verfahren zur Herstellung von Formeinsätzen mit mehreren Strukturebenen be¬ schrieben. Bei diesem Verfahren wird zunächst durch Röntgen¬ tiefenlithografie und galvanische Abscheidung von Nickel ein Formeinsatz hergestellt, der zur Erzeugung einer einstufigen MikroStruktur aus PMMA durch Abformung dient. Diese einstufige MikroStruktur aus PMMA wird dann durch Röntgentiefenlithogra- fie so strukturiert, daß eine weitere Strukturebene entsteht. Aus dieser Mikrostruktur wird durch erneute galvanische Ab¬ scheidung von Nickel ein Formeinsatz mit zwei Strukturebenen erzeugt. Durch wiederholte Anwendung dieses Verfahrens können komplex geformte Formeinsätze mit sehr kleinen Strukturabmes¬ sungen erzeugt werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist al¬ lerdings, daß mehrere Bestrahlungen an einem Synchrotron für die Herstellung erforderlich sind. Dadurch wird der Herstellungsaufwand vergleichsweise hoch.

In dem Beitrag "Microvalve System Fabricated by Thermoplastic Molding" von J. Fahrenberg et. al. aus dem Workshop Digest der Konferenz Micro Mechanics Europe '94, die 1994 in Pisa statt¬ fand, ist auf den Seiten 178 - 181 ein durch Abformung erzeug¬ tes Mikroventilsystem beschrieben, für dessen Herstellung ein Formeinsatz mit vier Strukturebenen verwendet wurde. Dieser Formeinsatz wurde durch die feinwerktechnische Bearbeitung ei¬ ner Messingplatte gefertigt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist allerdings, daß nicht so kleine Strukturen erzeugt werden können, weil z. B. die kleinsten zur Verfügung stehenden Fräs¬ köpfe einen Durchmesser von ca. 300 μm aufweisen und damit ge¬ wisse Mindestabmessungen vorgegeben sind.

Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem Formeinsätze erzeugt werden können, die ei¬ nerseits komplexe dreidimensionale Formen und andererseits sehr kleine Strukturen aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Patent¬ anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteil¬ hafte Ausgestaltungen des Verfahrens.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von den Figuren 1 bis 6 mit Hilfe zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen die Figuren schematisch einzelne Verfahrensschritte.

Das erste Anwendungsbeispiel beschreibt die Herstellung eines Formeinsatzes durch Fräsen eines Substrates, das mit einer für Röntgenstrahlung unempfindlichen und einer für Röntgenstrah¬ lung empfindlichen Resistschicht versehen ist.

Auf einem Substrat 1 aus Kupfer wurde eine 500 μm dicke Schicht 2 aus Epoxidharz aufgebracht. Durch Magnetronzerstäu¬ bung wurde darauf eine ca. 100 nm dünne, elektrisch leitfähige Goldschicht 3 angebracht und darauf eine 300 μm dicke Schicht 4 aus Polymethylmetacrylat (PMMA) aufpolymerisiert. Dieser Schichtverbund wurde mit einem Fräskopf, der einen Durchmesser

von 300 μm aufweist, feinwerktechnisch bearbeitet, so daß an einigen Stellen alles Material abgetragen wurde und Hohlräume

5 entstanden. Das Abtragen des Materials wurde bis ca. 20 μm tief in die Oberfläche des Kupfers 1 fortgesetzt um sicherzu¬ stellen, daß trotz gewisser Unebenheiten des Substrates 1 überall eine elektrisch leitfähige Oberfläche freigelegt wurde. Mit bekannten Methoden der Röntgentiefenlithografie wurde die Schicht 4 aus PMMA durch Bestrahlung an einem Syn¬ chrotron mit Röntgenstrahlung über eine Maske relativ zu den eingefrästen Strukturen justiert belichtet und die belichteten Stellen in einer Entwicklerlosung aufgelöst, so daß Hohlräume

6 im PMMA entstanden und die elektrisch leitfähige Oberfläche der Goldschicht 3 freigelegt wurde. Das Epoxidharz 2 wurde aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung nicht durch die Be¬ strahlung mit Röntgenstrahlung und das Einwirken der Entwick¬ lerlösung abgetragen (vgl. Figur 1) .

Es ist auch möglich, die elektrisch isolierende Schicht 4 aus einem Material herzustellen, das fotolithografisch oder elek- tronenlithografisch εtrukturierbar ist, und durch das jewei¬ lige lithografische Verfahren zu strukturieren, wenn die elek¬ trisch isolierende Schicht 2 mit dem jeweiligen Verfahren nicht strukturierbar ist. So wären für eine fotolithografische Strukturierung beispielsweise AZ-Lacke und Polyimide geeignet, während in der Elektronenlithografie Schichten auf PMMA-Basis eingesetzt werden. Es ist auch möglich, oberhalb der isolie¬ renden Schicht 4 eine weitere Schicht anzubringen, die durch ein weiteres Verfahren strukturierbar ist. So kann z. B. auf einer durch Röntgentiefenlithografie strukturierbaren Schicht 4 ein AZ-Lack aufgebracht werden, der fotolithografisch struk¬ turiert wird, bevor die Schicht 4 durch Röntgentiefenlithogra- fie strukturiert wird.

Anstelle der Epoxidharzschicht 2 können auch andere nicht leitfähige Materialien eingeεetzt werden, die durch den an der Schicht 4 ausgeführten lithografischen Strukturierungsprozeß nicht beeinflußt werden. Besonders geeignet sind hierzu Mate-

rialien, die sich gut mechanisch bearbeiten lassen, gut auf dem Substrat 1 anbringen lassen, darauf gut haften und eine hohe mechanische Beständigkeit aufweisen. Geeignet zu diesem Zweck wären beispielsweise Epoxidhenolharze, Polyoxidmethylen, Polysulfon, Polycarbonat.

Die Probe wurde auf der Rückseite des Kupfersubstrats 1 elek¬ trisch kontaktiert und in einem Galvanikbad mit Nickel aufgal¬ vanisiert. Dabei war sie in eine geeignete Verschalung einge¬ baut, die sicherstellte, daß nur die Oberflächen des Kupfer¬ substrates 1 in den Hohlräumen 5 und 6 mit dem Elektrolyten des Galvanikbades in Berührung kamen. Die galvanische Abschei¬ dung startete zunächst nur auf den elektrisch kontaktierten Oberflächen in den Hohlräumen 5. Die elektrisch isolierenden Wände der Epoxidharzschicht 2 stellten dabei sicher, daß die galvanische Abscheidung von der Kupferoberfläche her aufwuchs. Bei einer galvanischen Abscheidung in Hohlräume hinein, die sehr viel tiefer sind als breit, kann es geschehen, daß die Hohlräume nicht vollständig mit abgeschiedenem Metall ausge¬ füllt werden, wenn die galvanische Abscheidung auch an den Wänden der Hohlräume startet und sich Teilvolumina bilden, die vom außen liegenden Elektrolyten abgeschlossen werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Verhältnis der Tiefe der Hohlräume 5 oder 6 zu ihrer Breite größer ist als ca. fünf. Nicht ganz mit Metall aufgefüllte Hohlräume können zu Schwachstellen im Nickel deε herzuεtellenden Formeinsatzes führen und sollten deshalb vermieden werden. Durch die elek¬ trisch isolierenden Seitenwände der Epoxidharzschicht 2 wurde die Ausbildung von nicht ganz mit abgeschiedenem Metall ge¬ füllten Hohlräumen vermieden.

Nachdem die galvanische Abscheidung die elektrisch leitfähige Goldschicht 3 erreicht hatte, wurde auch diese über das Nickel elektrisch kontaktiert und die galvanische Abscheidung begann, wie in Figur 2 schematisch dargestellt ist, auch in den Hohl¬ räumen 6, an denen die Oberfläche der Goldschicht 3 elektri¬ schen Kontakt zum Elektrolyten hatte. Auf diese Weise wurde

erreicht, daß die galvanische Abεcheidung in den Hohlräumen 5 und 6 etwa zur gleichen Zeit die Oberkante der PMMA-Schicht 4 erreichte und daß die Ausbildung von nicht ganz mit Metall ge¬ füllten Hohlräumen 6 vermieden wurde. Wenn die galvanische Ab¬ scheidung nicht etwa gleichzeitig die Oberkante des PMMA 4 er¬ reicht, besteht die Gefahr, daß sich die Abscheidung zur Seite hin fortsetzt und die Hohlräume 6 von oben her überwachsen werden ohne ganz aufgefüllt zu werden. Die elektrisch isolie¬ renden Wände der PMMA-Schicht 4 stellten auf ähnliche Weise wie vorher beim Epoxidharz sicher, daß die Hohlräume 6 voll¬ ständig mit galvanisch abgeschiedenem Nickel aufgefüllt wer¬ den, indem eine galvanische Abscheidung von den Wänden her ausgeεchloεsen wird. Über die elektrisch leitfähige Gold¬ schicht 3 wird der Galvanikstart auch in Hohlräumen 6 gewähr¬ leistet, die nicht in direktem Zuεammenhang mit den Hohlräumen 5 stehen.

Die galvanische Abscheidung wurde über den Rand der PMMA- Schicht 4 hinaus fortgesetzt, so daß, wie in Figur 3 schema¬ tisch dargestellt, eine Nickelstruktur 7 entstand, auε der nach der Trennung vom Subεtrat 1 und den Schichten 2, 3 und 4 ein Formeinεatz gefertigt werden konnte.

Das zweite Anwendungsbeispiel beschreibt die Herstellung von Formeinsätzen mit mehreren Strukturebenen durch die Kombina¬ tion von Röntgentiefenlithografie und feinwerktechnische Bear¬ beitung.

Die Oberfläche eineε Kupferεubstrateε 1 wird durch Fräεen und Bohren mit einer Mikroεtruktur versehen (vgl. Figur 4) . Auf dieses Substrat wird eine PMMA-Schicht 4 aufpolymerisiert und durch feinwerktechnische Bearbeitung ebenfalls mit mehreren Sturkturebenen versehen. Das PMMA 4 wird dann mit bekannten Methoden der Röntgentiefenlithografie justiert relativ zu den Strukturen im Substrat 1 strukturiert, wie es in Figur 5 sche¬ matisch gezeigt ist. Das Design der Strukturen ist dabei so gewählt, daß die laterale Form der MikroStrukturen des

Formeinsatzes durch die Belichtung des PMMAs 4 mit Röntgen¬ strahlung definiert wird. Wegen der größeren Auflösung der Röntgentiefenlithografie lassen sich dadurch MikroStrukturen mit feineren lateralen Formen herstellen, als es feinwerktech¬ nische Verfahren zulassen. Das Design wird darüber hinaus so gewählt, daß die Seitenwände der Strukturen durch PMMA gebil¬ det werden, damit die galvanische Abscheidung vom Kupfersub¬ strat 1 aus aufwächst und eine vollständige galvanische Auf¬ füllung der Hohlräume 5 mit Metall erreicht wird. Durch die unterschiedliche Tiefe der Hohlräume 5 im PMMA läßt es sich nicht vermeiden, daß die Oberkante des PMMAs bei der galvani¬ schen Abscheidung zu unterschiedlichen Zeitpunkten erreicht wird. Darauε ergibt sich eine gewiεεe Einεchränkung bezüglich der lateralen Abstände zwischen den Hohlräumen 5 und ihrer Tiefenunterschiede. Andererseits führt die hier beschriebene Vorgehensweise auf besonders einfache Weise zu Formeinsätzen mit mehreren Strukturebenen und kleinen lateralen Abmessungen.

Es ist auch möglich, wie im ersten Anwendungsbeispiel eine Epoxidharzschicht 2 mit einer Goldschicht 3 und einer darüber angebrachten PMMA-Schicht 4 auf ein feinwerktechnisch bearbei- teteε Subεtrat 1 aufzubringen, feinwerktechnisch zu bearbeiten und dann die PMMA-Schicht durch Röntgentiefenlithografie zu strukturieren (vgl. Figur 6) . In diesem Fall sind die latera¬ len Formen der Hohlräume 5 teilweise durch die feinwerktechni¬ sche Bearbeitung und teilweise durch die präzisere Röntgentie¬ fenlithografie definiert. Durch eine entsprechende Wahl des Designs läßt sich sicherstellen, daß die Seitenwände der Hohl¬ räume bis auf die elektrisch leitfähige Schicht 3 überall von elektrisch isolierendem Material gebildet werden.

Wenn die Hohlräume 6 an mindestens einer Stelle 8 mit den Hohlräumen 5 in direkter Verbindung stehen, ist es in vielen Fällen auch möglich, auf eine elektrisch leitfähige Schicht 3 zu verzichten.