In der Literatur wird seit einigen Jahren über chemische Mikroreaktoren be- richtet, die gegenüber den herkömmlichen Produktionsaniagen zur Herstellung chemischer Verbindungen Vorteile aufweisen. Hierbei handelt es sich um eine Anordnung von Reaktionszellen, deren Abmessungen von wenigen Mikro- metern bis zu einigen Millimetern betragen und somit sehr viel kleiner sind ais die herkömmlicher Reaktoren. Diese Reaktionszellen sind so gestaltet, daß in ihnen physikalische, chemische oder elektrochemische Reaktionen ablaufen können. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen porösen System (heterogene Katalyse) sind die Abmessungen dieser Zellen durch die Konstruktion definiert, also pianmaßig mit einem technischen Verfahren herstellbar. Auch die An- ordnung einzelner Reaktionszellen im Ensemble des Reaktors ist geordnet, insbesondere periodisch in einer, zwei oder drei Dimensionen. Zu den che- mischen Mikroreaktoren werden im erweiterten Sinne auch die notwendigen Zu- und Ableitungsstrukturen für die Fluide (Fiüssigkeiten, Gase) sowie Sensoren und Aktoren gerechnet, beispielsweise Ventile, die den Stoffstrom durch die einzelnen Zellen kontrollieren, und Heizelemente.

Die Verwendung von chemischen Mikroreaktoren als Wasserstoffquellen für Brennstoffzelten zur Energieumwandlung ist beispielsweise von R. Peters et al.

in"Scouting Study about the Use of Microreactors for Gas Suppiy in a PEM- Fuel Cell System for Traction", Proc. of the 1St Int. Conf. on Microreaction Technology, Frankfurt, 1997 beschrieben worden.

Dieses Konzept für chemische Mikroreaktoren wurde auch auf Wärmeaustau- scher angewendet. In diesem Fall sind in dem Wärmeaustauscher mindestens zwei voneinander getrennte Fluidkanäle vorhanden, die zur Übertragung von Wärme von Fluid in dem einen Kanal zu Fluid im anderen Kanal dienen.

Zur Herstellung chemischer Mikroreaktoren bzw. von Wärmeaustauschern gibt es eine Reihe von Vorschiagen : Beispielsweise kann ein chemischer Mikroreaktor durch Stapein von mehreren Kupferfolien hergestellt werden, in die zur Bildung von Strömungskanälen mittels eines Diamantwerkzeuges Rillen eingeritzt werden. Ein derartiges Her- stellverfahren wird von D. Hönicke und G. Wiesmeier in"Heterogeneous Cata- lyzed Reactions in a Microreactor"in DECHEMA Monographs. Volume 132, Papers of the Workshop on Microsystem Technology, Mainz, 20 bis 21. Februar 1995, Seiten 93 bis 107 beschrieben. Für die Herstellung von Acrolein aus Propen wurden die Innenwände der Reaktionskanäle teilweise zu Kupfer (I)-oxid oxidiert.

Mit dem LiGA-Verfahren (Lithographie, Galvano-Formung, Abformung) wird eine Kunststoffschicht, meistens Polymethylmethacrylat (PMMA), mittels Syn- chrotronstrahlung beiichtet und anschließend entwickelt. Die derart erzeugte Struktur wird mit einem elektrolytischen Verfahren mit Metal ausgefüllt. Die Metallstruktur kann dann in weiteren Verfahrensschritten mittels einer Kunst- stoffabformung (Kunststoffspritzverfahren) vervielfältigt werden. Dieses Verfah- ren wurde von W. Ehrfeld und H. Lehr in Radiat. Phys. Chem.. Band 45, Seiten 349 bis 365 beschrieben.

Eine mit dem LiGA-Verfahren verwandte Technik, die ohne die sehr aufwendige Synchrotronstrahlung auskommt, ist das sogenannte Laser-LIGA-Verfahren.

Hierbei wird die Kunststoffschicht aus PMMA mit einem leistungsfähigen UV- Laser strukturiert und anschließend wie im LlGA-Verfahren gaivanisch abge- formt (W. Ehrfeld et al.,"Potentials and Realization of Microreactors"in DECHEMA Monographs, Volume 132, Seiten 1 bis 29).

Auch die Methoden, die in der Halbleiterindustrie zur Strukturierung von Sili- ziumoberflächen entwickelt worden sind, wurden ebenfalls zur Herstellung von Mikroreaktoren übernommen. Beispielsweise wurde von J. J. Lerou et al. in "Microfabricated Minichemical Systems : Technical Feasibility", DECHEMA Monographs, Volume 132, Seiten 51 bis 69 ein Verfahren beschrieben, bei dem drei geätzte Silizium-Wafer und zwei End-Wafer an den Außenseiten mitein- ander verbunden wurden. Ferner wurde ein mit poiykristallinen Silberpartikein gefügter Wärmeaustauscher, der ebenfalls als Mikroreaktor ausgebildet war, verwendet.

In EP 0 212 878 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschers beschrieben, bei dem die Strömungskanäle des Wärmemediums in Stahiplatten durch chemisches Ätzen gebildet werden. Die Stahiplatten werden anschlie- ßend durch Diffusionsbonden miteinander verschweißt.

In WO 9215408 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Mikrosieben beschrie- ben, bei dem in einen mit einer ätzfesten Schicht überzogenen ftächigen Träger Löcher und andere Vertiefungen mit einem bestimmten Muster durch Plasma- technik geätzt werden. Mehrere dieser gelochten Träger werden anschließend miteinander verbunden.

In DE 197 08 472 A1 ist ein Hersteliverfahren für chemische Mikroreaktoren beschrieben, bei dem Fluidkanäle in einzeinen Ebenen gebildet werden, indem mit Metatfoberftächen versehene Substrate mittels photolithographischer Tech- niken oder Siebdruckverfahren strukturiert und die erhaltenen Kanaistrukturen durch Metallabtrags-oder-auftragsverfahren gebildet werden. Die einzein hergestellten Ebenen werden anschließend zu einem Stapel zusammengefaßt und fest miteinander verbunden. Beispielsweise können die Kanäle durch partielles Wegätzen der Metallschicht auf dem Substrat erzeugt werden.

Die bisher bekannten Methoden zur Herstellung der chemischen Mikroreakto- ren und Wärmeaustauscher weisen vielfältige Nachteile auf. Beispielsweise sind komplizierte und/oder teuere Techniken zur Herstellung der Kanäle er- forderlich. In einigen Fällen ist die Herstellung der Reaktoren ausschließlich auf Silizium als Material beschränkt.

Nachteilig ist insbesondere auch, daß für spezifische Anwendungen in der chemischen Reaktionstechnik bestimmte empfindliche funktionelle Oberflächen- schichten beim Zusammenfügen der einzelnen Ebenen zerstört oder zumindest beschädigt werden können, vor ailem wenn eine hohe Temperatur beim Fu- geprozeß angewendet wird. Als mögliche Abhilfe wurde auch vorgeschfagen, die einzelnen Schichten durch Kleben miteinander zu verbinden. Diese Technik hat jedoch Grenzen und Risiken, die darin bestehen, daß der Kleber in die feinen Kanake gelangt und diese verstopft und/oder daß die Klebeverbindung unter den Betriebsbedingungen nicht fest genug ist, um dem im allgemeinen hohen Druck, der beim Hindurchleiten der Fluide durch den Reaktor oder Wär- meaustauscher auftritt, standzuhalten. Außerdem sind Kleber wegen deren im aligemeinen geringer Wärme-und Chemikalienbeständigkeit zur Herstellung der Mikroreaktoren nur in Sonderfällen geeignet In der chemischen Reaktionstechnik dienen die funktionellen Oberflachen- schichten beispielsweise zur Katalyse chemischer Reaktionen. Eine nach- trägliche Beschichtung der Strömungskanäle in den Ebenen ist häufig jedoch nicht möglich, da die funktionellen Schichten in diesem Falle wegen der elek- trischen Abschirmung durch den Reaktor oder Warmeaustauscher selbst nicht auf eiektrolytischem Wege aufgebracht werden können. Auch bei der stromlo- sen Metallisierung hat sich herausgestellt, daß eine sichere Beschichtung nicht mögtich ist, da die üblicherweise verwendeten Metallisierungsbäder auf unter- schiedliche Strömungsgeschwindigkeit der Metallisierungsflüssigkeit an den zu beschichtenden Oberflächen sehr empfindlich reagieren. Unter diesen Bedin- gungen werden unter anderem solche Oberflächenbereiche stromlos metalli- siert, an denen die Metallisierflüssigkeit langsam vorbeiströmt. während Ober- ftächenbereiche. an denen die Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit vorbei- strömt. nicht mit Metall überzogen werden.

Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist auch, daß in der Praxis erhebliche Schwierigkeiten beim Zusammenbau der stapelförmigen Reaktoren zu über- winden sind und beim Einhausen der Mikrobauteile auftreten. Diese Schwierig- keiten sind auf Undichtigkeiten beim Fügen und auf Materialverzug bei ther- mischer Belastung zurückzuführen. Je mehr Fügenähte ein Bauteil aufweist, desto höher ist das Risiko von Undichtigkeiten, so daß in der Regel mit einem hohen Ausschuß bei der Herstellung der Reaktoren gerechnet werden muß, wenn diese Technik angewendet wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt von daher das Problem zugrunde, Mikrobautei- le mit Strömungskanälen in mindestens einer Ebene, insbesondere chemische Mikroreaktoren. Wärmeaustauscher, Mischer und Verdampfer, herzustellen, die für eine Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen in der chemischen Reak- tionstechnik, zum Wärmeaustausch, zum Mischen von Stoffen oder zum Ver- dampfen von Flüssigkeiten geeignei sind. Insbesondere sotl es möglich sein, für verschiedene Anwendungen des Mikrobauteils unterschiedliche Beschichtun- gen auf die Kanaloberflachen aufzubringen. Ferner soll das Hersteliverfahren möglichst preiswert und schnell durchführbar sein, ohne daß hohe Ausfallraten beim Fertigen der Mikrobauteile entstehen. Derartige Mikroreaktoren, Arme- austauscher, Mischer und Verdampfer sollen auch in großen Stückzahlen einfach und kostengünstig herstellbar sein.

Gelöst wird dieses Problem durch das Verfahren nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Herstellen von Mikrobauteilen mit Strömungskanälen in mindestens einer Ebene, insbesondere von chemischen Mikroreaktoren. Wärmeaustauschern, Mischern und Verdampfern. Die Strö- mungskanäle weisen vorzugsweise Abmessungen von wenigen Mikrometern bis zu einigen Millimetern auf.

Die chemischen Mikroreaktoren werden vorzugsweise in der chemischen Indu- strie unter anderem für Synthesereaktionen und auf anderen Gebieten, bei-

spielsweise als Wasserstoffquelien zur Energieumwandlung (Brennstoffzellen), eingesetzt.

Als chemische Mikroreaktoren werden Vorrichtungen mit Strömungskanälen in mindestens einer Reaktorlage verstanden, die neben den eigentlichen Re- aktionszonen gegebenenfalls auch Hilfszonen aufweisen, die zum Mischen, Dosieren, Heizen, Kühlen oder Analysieren der Ausgangsstoffe, Zwischen- produkte oder Endprodukte dienen. Jede Zone ist durch einen an die jeweiligen Anforderungen angepaßten Aufbau charakterisiert. Während Heiz-und Kühizo- nen entweder als Wärmeaustauscher oder als mit elektrischen Widerstandshei- zungen bzw. elektrischen Kühlelementen ausgerüstete Reaktorabteile ausge- bildet sind, weisen Analysenzonen angepaßte Sensoren auf. Dosierzonen enthalten beispielsweise Mikroventile und Mischzonen, beispielsweise Kanäle mit geeignet geformten Einbauten zur Verwirbelung der zusammengeführten Fluide.

In den Mikroreaktoren, Wärmeaustauschern, Mischern und Verdampfern sind Strömungskanäle in mindestens einer Ebene enthaiten. Die Strömungskanäte in den einzelnen Ebenen können teilweise auch miteinander verbunden sein.

Zur nachfolgenden Erläuterung des Verfahrens wird auf die Figuren 1 und 2 verwiesen. Es zeigen : Fig. 1 : eine schematische Darstellung des Ablaufes für das Her- steliverfahren in einer ersten Ausführungsform ; Fig. 2 : eine schematische Darstellung des Ablaufs für das Her- steliverfahren in einer zweiten Ausführungsform.

In der ersten Ausführungsform der Erfindung (Fig. 1) wird zur Herstellung der mehrlagigen Mikrobauteile zuerst eine erste Metallschicht 1 hergestellt (Verfah- rensschritt A). Diese Metallschicht kann mit einem galvanotechnischen oder physikalischen Metallabscheideverfahren entweder auf einem Träger 2 gebildet werden. beispielsweise auf einer Kunststoffplatte oder einer Metallplatte. oder

es kann eine freitragende Folie hergesteftt werden. Derartige Folien sind aus der Leiterplattentechnik bekannt. Zur Beschichtung mit einem physikalischen Metallabscheideverfahren können alle üblichen Vakuumverfahren eingesetzt werden, nämlich das CVD- (chemicai vapour deposition), PECVD- (plasma enhanced chemical vapour deposition), Aufdampf-und Sputterverfahren. Vor- zugsweise wird diese Metalischicht durch elektrolytische Metallabscheidung gebitdet. Sie besteht übticherweise aus Kupfer, Nickel, Kobalt, Zink, Zinn, Chrom, Eisen (Stahl, Edeistahl), Aluminium oder Legierungen dieser Metaile untereinander oder mit anderen Elementen, beispieisweise Phosphor oder Bor.

Sie kann grundsätzlich aber auch aus einem anderen Metall bestehen. Zur elektrolytischen Metallabscheidung, bei der eine äußere Stromquelle zur Metall- abscheidung benötigt wird, ist zuerst die Abscheidung einer elektrisch leit- fähigen Startschicht erforderlich. Diese kann beispielsweise durch stromlose Metallabscheidung nach einer vorherigen Aktivierung der nicht-katalytischen Oberfläche mit Pattadiumkeimen gebildet werden. Die Dicke der Metallschicht 1 beträgt vorzugsweise mindestens 0,1 pm, um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit für nachfofgende Herstellschritte zu gewährleisten. Üblich ist eine Dicke von 5 pm bis 1 mm.

Anschließend wird die erste Metallschicht oder Metallfolie in einer ersten Ver- fahrensvariante an mindestens einer der beiden Oberflächen mit einer photo- empfindfichen Schicht 3 überzogen (Verfahrensschritt B). Die Dicke dieser Schicht ist von der Höhe der später zu bildenden Strömungskanäle bestimmt.

Üblicherweise werden hierzu aus der Leiterplattentechnik, der Mikrosystem- technik und von den Chip-Herstellungstechniken bekannte Positiv-oder Negativ-Photoresiste eingesetzt. Die gebildete photoempfindliche Schicht wird nach dem Trocknen mit dem Muster der Kanäle beispielsweise durch eine Maske 4 hindurch belichtet (Lichtstrahlen 5 ; Verfahrensschritt B1) und die darunteriiegende Metallschicht oder Metalifolie 1 beim Entwickfungsprozeß anschließend an allen Stellen 6 freigelegt. die den zu bildenden Kanälen nicht entsprechen (Verfahrensschritt B2).

In einer anderen Variante (in Fig. 1 nicht dargestellt) wird mindestens eine Oberfläche der ersten Metallschicht oder Metallfolie 1 mit einer Siebdruckiack- schicht an den Stelien auf der Oberfläche, die den zu bildenden Kanälen ent- sprechen, überzogen.

In einer dritten Verfahrensvariante wird auf mindestens eine Oberfläche der ersten Metalischicht oder Metallfolie 1 eine Folie, vorzugsweise eine Kunststoff- folie, auflaminiert, wobei die Foiie mit Perforationen an allen Stellen 6 der Ober- fläche versehen ist, die den zu bildenden Kanälen nicht entsprechen. Die Ver- wendung einer derartigen Folie ist dann vorteilhaft, wenn besonders hohe Strömungskanäle gebildet werden soilen, so daß die Resiststruktur sehr dick sein muß. Daher werden vor allem Folien mit einer Dicke von 50 um und mehr eingesetzt.

Sowohl bei der Beschichtung mit einem photoempfindlichen Resist und beim anschließenden Belichten und Entwickeln des Resists als auch beim Überzie- hen mit einer Siebdrucktackschicht oder einer perforierten Folie wird eine Struk- tur erhalten, bei der die erste Metallschicht oder Metallfolie an allen Stellen mit dem Resist bzw. der Folie bedeckt ist, die den zu bildenden Strömungskanälen entsprechen.

An den freigelegten oder freiliegenden Stellen 6 der ersten Metailschicht oder Metallfolie 1 wird dann eine zweite Metallschicht 7 abgeschieden (Verfahrens- schritt C1). Typischerweise wird hierzu ein galvanotechnisches Verfahren eingesetzt, vorzugsweise ein elektrolytisches Metallabscheideverfahren, bei dem eine äußere Stromquelle zur Metaiiabscheidung verwendet wird. Selbst- verständlich kann die zweite Metallschicht aber auch durch stromlose Metalli- sierung hergesteilt werden. Wird eine selektive Abscheidung der zweiten Metaii- schicht ausschließlich an den freigelegten oder freiliegenden Stellen 6 der ersten Metallschicht oder Metallfolie 1, nicht aber auf der Siebdrucklackschicht, der photoempfindlichen Schicht oder der perforierten Folie 3 gewünscht, so muß bei Anwendung des stromlosen Verfahrens separat dafür gesorgt werden, daß die zweite Metallschicht 7 nur auf der ersten Metallschicht oder der Metall-

folie gebildet wird, beispielsweise durch Anlegen eines negativen elektrischen Potentials an die erste Metalischicht oder die Metallfolie während der Abschei- dung des zweiten Metalls. Wird dagegen ein eiektroiytisches Metallabscheide- verfahren gewählt, scheidet sich dieses Metall automatisch selektiv nur auf den freiliegenden Stellen der ersten Metaiischicht oder Metallfolie ab. Das Metall der zweiten Metallschicht kann mit dem Metall der ersten Metallschicht oder Mental !- folie identisch sein. Zur Bildung der zweiten Metallschicht kann auch ein ande- res Metall aufgebracht werden. In dem fertigen Mikroreaktor, Wärmeaustau- scher, Mischer oder Verdampfer bifdet die zweite Metailschicht die Wände der Strömungskanäte. Daher muß diese Metalischicht eine Dicke aufweisen, die der Höhe der Strömungskanäle entspricht. Vorzugsweise sollte die zweite Metall- schicht ebenso dick sein wie die Siebdrucklackschicht, die photoempfindliche Schicht oder die perforierte Folie.

Vor der Bildung weiterer Kanalebenen oder eines Abschtußsegments zum Verschließen der Strömungskanäle kann die erste gebildete Kanaiebene-falls erforderiich-durch eine mechanische oder andere Oberfiächenbehandlung eingeebnet werden, beispielsweise durch Mikrofräsen oder Polieren.

Zur Bildung der zweiten und weiterer Kanalebenen wird die vorstehend be- schriebene Verfahrensfolge A bis C mehrmals nacheinander durchgeführt. Das bedeutet, daß anschließend in einem Verfahrensschritt A'wieder eine weitere erste Metalischicht 1'auf die Oberfläche der Photoresistschicht, Siebdruck- resistschicht oder auf der perforierten Folie 3 und auf die zweite Metallschicht 7 aufgebracht wird. Diese weitere erste Metallschicht 1'stellt ebenso wie die entsprechende Metaflschicht oder Metallfolie 1 in der ersten Ebene eine Grund- schicht dar, auf der die einzelnen Strömungskanäle der nächsten Kanalebene gebildet werden. Zur Herstellung dieser Grundmetallschicht in der zweiten Ebene muß ebenso wie zur Bildung der ersten Metallschicht oder Metallfolie 1 in der ersten Kanalebene zunächst eine dünne leitfähige Startschicht aus Metall abgeschieden werden, wenn diese erste Metalischicht eiektrolytisch abgeschie- den wird. Falls diese Startschicht auf stromiosem Wege gebildet wird, muß zunächst eine für die stromlose Metallabscheidung katalytische Schicht abge-

schieden werden. Hierzu eignen sich beispielsweise Palladiumkolloide. Diese werden eingesetzt, um die elektrisch nichtleitenden Oberfiächen for die Ab- scheidung der dünnen leitfähigen Startschicht vorzubereiten, die die Grundlage for eine elektrolytisch abgeschiedene Metallschicht bilden kann. Die zweite Grundschicht kann auch mit einem physikalischen Metallabscheideverfahren gebildet werden, beispielweise durch Sputtern.

Nach der Bildung dieser zweiten Grundschicht 1'wird wiederum eine photoem- pfindliche Schicht, eine strukturierte Siebdrucklackschicht oder perforierte Folie aufgebracht. Die photoempfindliche Schicht, Siebdrucklackschicht bzw. perfo- rierte Folie wird danach getrocknet. Die photoempfindliche Schicht wird an- schließend mit dem Bild der Strömungskanäle belichtet und entwickelt. Die Siebdrucklack-bzw. die Foiienstruktur weist ebenfalls das Abbild der Strö- mungskanäle auf. Im Anschiuß daran wird wiederum das zweite Metall auf den freiliegenden Metalloberflächen gebildet. Anschließend werden weitere Ebenen in der beschriebenen Weise aufgebracht.

Nach der Fertigstellung der einzelnen Ebenen wird die oberste Reaktor-oder Wärmeaustauscherebene durch eine letzte Metallschicht abgedeckt, um die oberste Kanalebene zu schließen. Diese Metallschicht wird auch als Abschluß- segment bezeichnet. Gegebenenfalls können abschließend Frontplatten an den beiden Stirnflächen des Reaktors, Wärmeaustauschers, Mischers oder Ver- dampfers vorgesehen werden, die beispielsweise miteinander verschraubt werden, um die beim Durchfluß auftretenden Kräfte aufzunehmen.

Falls ein Mikrobauteil mit nur einer Strömungskanalebene hergestellt wird, wird im Anschluß an die vorgenannte Verfahrensfolge mit den Schritten A bis C, mit der eine Strömungskanalebene gebildet wird, der Verfahrensschritt A zum Bilden eines Abschlußsegments for die Strömungskanäie durchgeführt. In diesem Fall stellt die auf die Bildung der ersten Kanalebene nachfolgend aufge- brachte Metallschicht 1'das Abschlußsegment dar.

Nach der Fertigstellung des Mikrobauteils mit einer oder mehreren Strömungs- kanalebenen wird der Photoresist, Siebdruckresist oder die perforierte Folie aus den bei der Metallisierung freigehaltenen Strömungskanäien entfernt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die einzelnen Mikrobauteilebe- nen also im Gegensatz zu den bekannten Verfahren auf sequentiellem Wege hergestel (t. Damit entfättt der Nachteil, daß die einzelnen Ebenen nach deren separater Herstellung miteinander und mit dem Abschlußsegment in einem Fügeverfahren verbunden werden müssen. Zum anderen können keine Undich- tigkeiten im fertiggesteilten Mikrobauteil durch ein mangelhaftes Fügeverfahren auftreten. Außerdem können als Werkstoffe grundsätzlich alle mittels galvano- technischer Verfahren abscheidbare Metalle eingesetzt werden. Für die Her- stellung der Strömungskanafwände können beispielsweise Kupfer, Nickel, Kobalt, Zink, Zinn, Chrom und Eisen sowie deren Legierungen eingesetzt wer- den. Für die funktionelien Schichten eignen sich insbesondere Edelmetalle, wie Platin, Gold, Silber, Ruthenium und Palladium. Bei Anwendung der bekannten Herstellverfahren werden die zunächst separat hergestellten Einzellagen durch Diffusionsschweißen oder Löten nachträglich miteinander verbunden. Dies setzt jedoch voraus, daß auch Materialien eingesetzt werden, die diffusionsschweiß- oder lötbar sind. Außerdem stellt sich bei der Herstellung der erfindungsgemä- ßen Mikrobauteile im Gegensatz zu den nach den bekannten Verfahren her- gestellten Bauteilen kein Materialverzug ein. Ein derartiger nachteiliger Effekt ist beim Fügen der herkömmiichen Mikrobauteile durch die große Wärmeeinwir- kung meist nicht zu vermeiden. Weiterhin besteht ein Vorteil des erfindungs- gemäßen Verfahrens darin. daß keine besonderen Maßnahmen ergriffen wer- den musse, um eine gute Haftung zwischen der zweiten und weiterer Grund- schichten 1' (bzw. 1", 1'",...) und der Photoresistschicht, Siebdruckresist- schicht oder der perforierten Foiie zu gewährleisten.

Vorteilhaft ist auch. daß bereits im Zuge der Bildung der einzelnen Ebenen funktioneile. beispielsweise katalytische Schichten auf die Strömungskanalwän- de aufgebracht werden können. Die funktionellen Schichten könnten zwar grundsatzlich auch nach der Herstellung des Mikrobauteils erzeugt werden. Im

Fable der gefügten Bauteile stören jedoch die Lötverbindungen zwischen den einzelnen Kanalebenen, da diese die stromlos arbeitenden Metallisierungs- bäder zur Herstellung der funktionellen Schichten deaktivieren können. Außer- dem kann ein Metallisierungsverfahren unter Verwendung einer äußeren Strom- quelle zum Aufbringen dieser Schichten nicht eingesetzt werden, nachdem der Reaktor fertiggestellt ist.

Zur Herstellung der funktionellen Schichten wird nach Durchführung von Ver- fahrensschritt C1 in einem zusätzlichen Verfahrensschritt C2 (Fig. 1) eine dritte Metallschicht 8 durch elektrolytische oder stromlose Metallabscheidung oder mit einem physikalischen Metallabscheideverfahren, beispielsweise einem Sputter-, Aufdampf-, CVD-oder PECVD-Verfahren, gebildet. Alternativ können auch Moleküischichten, die spezifische katalytische Eigenschaften aufweisen, chemisorbiert oder adsorbiert oder auch Kunststoffschichten oder Keramik- schichten gebitdet werden. Die Keramikschichten sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine große Oberfläche an den Strömungskanalwänden er- zeugt werden soll. Für diesen Zweck werden poröse Keramikschichten gebildet, beispielsweise Oxidschichten durch Aufsputtern. Besonders gut geeignet ist auch eine aufgedampfte Aluminiumschicht, die nachträglich durch Eloxieren oder Behandeln beispielsweise mit Salpetersäure zu einer Aluminiumoxid- schicht umgewandelt werden kann. Eine derartige Schicht kann als Träger für Katalysatoren dienen, mit denen diese Schicht imprägnierbar ist.

Schicht 8 kann ihrerseits auch aus verschiedenen Schichten aufgebaut sein.

Diese Schichten können auch als trägerfixierte Katalysatoren dienen. Hierzu werden die Oberflachen der Siebdrucklackschicht, der photoempfindlichen Schicht oder der perforierten Folie und der zweiten Metallschicht zunächst gereinigt. Canach können die gereinigten Oberflächen mit einer Aktivierungs- lösung in Kontakt gebracht werden, beispielsweise einer Palladiumkolloidlö- sung, die für die nachfolgende stromlose Metallabscheidung katalytisch wirkt, um auf den nicht-katalytischen Oberflächen der Siebdrucklackschicht, photo- empfindlichen Schicht oder der perforierten Folie stromlos Metall abscheiden zu können. Die Schicht 8 kann auch selektiv ausschließlich auf die Siebdrucklack-

schicht, die photoempfindliche Schicht oder die perforierte Folie durch geeigne- te Maskenprozesse aufgebracht werden, um zu verhindern, daß auf die Metall- schicht 7 niedergeschlagene Schichten 8 die Haftfestigkeit von nachfolgend auf die Schicht 7 aufgebrachte Metallschichten beeinträchtigt.

Derartige Aktivierungslösungen sind an sich bekannt. Ublicherweise werden diese durch Vermischen von Palladiumchlorid, Zinn (II)-chlorid und Salzsäure oder von Palladiumsulfat, einem Aminopyridin und Lauge oder von Palladium- sulfat, einem organischen Schutzkoiloid, wie PoWyvinylpyrrolidon, und Natrium- hypophosphit gebildet. Anschließend werden die aktivierten Oberflächen mit einer Metallisierungslösung in Kontakt gebracht, beispielsweise einer sauren Palladiumionen enthaitenden Lösung. Eine für diesen Zweck gut einsetzbare Pattadiniertösung enthält zusätzlich ein Oxidationsmittel, beispielsweise Na- triumperoxodisulfat. Alternativ kann beispielsweise auch eine Korrosionsschutz- schicht aus einer Nickel/Phosphor-Legierung abgeschieden werden. Hierzu stehen kommerzielle Bäder zur Verfügung, in denen neben einem Nickelsalz Carbonsäuren als Komplexbildner für Nickelionen und zusätzlich Natriumhypo- phosphit als Reduktionsmittel enthalten sind.

In einer weiteren Verfahrensvariante (Fig. 2) wird die zweite Metailschicht 7 in Abwandlung zum zuvor beschriebenen Verfahren in einer Reaktor-, Wärme- austauscher-, Mischer-oder Verdampferebene gemäß Verfahrensschritt C und die erste Metallschicht 1'in der darauffolgenden Ebene bzw. die als Abschluß- segment dienende erste Metallschicht 1'gemäß Verfahrensschritt A'in einem einzigen kombinierten Verfahrensschritt gebildet. Damit entfällt ein separater Verfahrensschritt. Die Metalle der ersten und der zweiten Metallschicht sind vorzugsweise identisch.

An die Bildung der kombinierten Schicht 7,1' gemdb Verfahrensschritt C + A', die gleichzeitig die Grundschicht für die nächstfolgende Kanalebene darstellt, schließt sich das vorstehend beschriebene Verfahren zur Bildung der nächsten Ebene an. Anschließend wird die Oberfiäche zunächst mittels eines Siebdruck- lackes. einer photoempfindlicnen Schicht oder einer perforierten Folie struktu-

riert und danach eine weitere Metalllage gemäß den Verfahrensschritten C und A'aufgebracht. Die in Fig. 2 angegebenen Bezugsziffern entsprechen im übrigen denen in Fig. 1.

Auch in diesem Falle dient die Metailschicht 1'als Abschlußsegment, an deren Bildung sich keine weiteren Verfahrensschritte anschließen, wenn nur eine Strömungskanalebene gebildet werden soll.

Auch bei der Herstellung von Mikrobauteilen nach diesem Verfahrensschema werden funktionelle Schichten 8 abgeschieden. Diese werden auf die Resist- oberflächen aufgebracht (Verfahrensschritt B3 in Fig. 2). Hierzu werden diesel- ben Verfahrenstechniken eingesetzt wie bei der zuerst beschriebenen Verfah- rensvariante gemäß Fig. 1.

Weiterhin können weitere Metallschichten abgeschieden werden, sofern spezi- fische Anforderungen des jeweiligen Anwendungsfalles dies erfordern. So lassen sich beispielsweise besonders verschteißbeständige Schichten gegen Korrosion und Abrasion, beispielsweise aus Chrom, einer Nickel/Phosphor- Legierung oder Palladium abscheiden, oder Oberflächen aus katalytisch akti- vem Metall (latin, Palladium) elektrolytisch oder stromlos biiden. Auch magne- tische Schichten, beispielsweise aus einer ferromagnetischen Nickel/Kobalt- Legierung können für bestimmte Anwendungen, wie beispielsweise für den Einsatz von Magnetventilen als Aktoren, notwendig sein. Weiterhin kann die Oberflächenstruktur auch durch chemische oder elektrolytische Ätztechniken aufgerauht oder geglättet werden.

Nachdem die gewünschte Anzahl von Kanalebenen gebildet worden ist, wird die Siebdrucklackschicht. photoempfindliche Schicht oder perforierte Folie in einem weiteren Verfahrensschritt D entfernt. Hierzu kann die erzeugte Struktur beispielsweise mit einem Lösungsmittel für die Siebdrucklackschicht, die photo- empfindliche Schicht oder die perforierte Folie unter gleichzeitiger Einwirkung von Ultraschall und Wärme in Kontakt gebracht werden. Das Lösungsmittel enthält vorzugsweise ein Netzmittel mit einer niedrigen Oberflächenspannnung.

Die Wahl des Lösungsmittels richtet sich nach der Art des aufzulösenden Kunststoffmateriais (Siebdrucklack, photoempfindliche Schicht, perforierte Folie). FOr Polymethylmethacrylat als Kunststoffmateriai sind beispielsweise Aceton, Chloroform, Butanon, 1,4-Dioxan und N, N-Dimethyiformamid und deren Gemische und für Photoresiste N-Methylpyrrolidon, Trichlorethan, Dimethylsulf- oxid und Methyienchlorid und deren Gemische geeignet. Außerdem können wäßrige alkalische Systeme mit geeigneten Cosolventien eingesetzt werden.

Alternativ kann die Siebdrucktackschicht, photoempfindtiche Schicht oder perfo- rierte Folie auch durch Pyrolyse entfernt werden. Hierzu wird die gebildete Mikrobauteilstruktur in einen Ofen überführt und der Siebdrucklack, die photo- empfindliche Schicht oder die perforierte Folie thermisch zersetzt. Eventuelle Reste des zersetzten organischen Materials können anschließend in einem Lösungsmittef entfernt werden, wiederum vorzugsweise unter Einwirkung von Ultraschall und in Gegenwart eines geeigneten Netzmittels.

In einer weiteren Verfahrensvariante kann der Kunststoff auch mit einem Plas- maverfahren entfernt werden. Hierzu wird die fertiggestelite Mikrobauteilstruktur in eine Glimmentladungszone eines Plasmareaktors gebracht.

In einer noch weiteren Verfahrensalternative kann die Siebdrucklackschicht, photoempfindliche Schicht oder perforierte Folie gemäß Verfahrensschritt D mit überkritischen Fiüssigkeiten entfernt werden. Hierzu wird die Mikrobauteil- struktur unter geeigneten Druck-und Temperaturverhältnissen, beispieisweise in einem Autoklaven, mit Kohlendioxid, Ethylen, Propan, Ammoniak, Distick- stoffdioxid, Wasser, Toluol, Stickstoffheterocycien oder anderen Stoffen, die sich in überkritischem Zustand befinden, in Kontakt gebracht. Gut geeignet sind solche überkritischen Flüssigkeiten. die bereits nahe Raumtemperatur in den überkritischen Zustand überführbar sind. Eine gut geeignete überkritische Flüssigkeit ist Kohlendioxid. Die hierfür geeigneten Bedingungen sind T = 40°C und P = 80 103 bis 200 103 hPa (80 80 bis 200 Bar).

Nach Fertigstellung der Reaktor-, Wärmeaustauscher-, Mischer-oder Verdamp- ferstruktur werden die erfordertichen Fluidverbindungen zu externen Bauteilen, beispielsweise zu Pumpen und Behältern, gebildet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung werden Mikrobauteilebenen exem- plarisch dargestellt. Es zeigen : Fig. 3 : eine schematische Darstellung eines Querschnittes durch einen Wärmeaustauscher ; Fig. 4 : eine schematische Darstellung eines Querschnittes von mehreren Kanalebenen in einem Mehrfachnutzen für sechs Durchlaufreaktoren.

In Fig. 3 ist eine Kanallage 10 in einem Wärmeaustauscher dargestellt. Diese Einzellage besteht aus zwei übereinanderliegenden metallischen Schichten (dunkle Flache) auf jeweiligen Untertagen (Begrenzungen strichpunktiert ange- deutet), die gemäß einem der vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt worden sind. Beispieisweise können diese beiden metallischen Schichten durch eiektrolytische Abscheidung von Kupfer gemäß den Verfahrensschritten A bis C auf der Unterlage erzeugt worden sein. Mehrere dieser Lagen bilden einen Wãrmeaustauscher.

In der Lage 10 befinden sich Kanäle 11, durch die beim Betrieb des Arme- austauschers ein Fluid (Flüssigkeit oder Gas) geleitet wird. Die Kanäie werden im vorliegenden Fall durch ein photolithographisches Verfahren hergestellt.

Diese Kanäle erstrecken sich in der oberen der beiden Schichten und haben eine Breite von etwa 400 um und eine Höhe von etwa 100 pm. Die Kanäle 11 enden in Anschlußräumen 12', 12"', die zur Verbindung des chemischen Mikro- reaktors zu entsprechenden Zu-und Ableitungen für das hindurchzuleitende Fluid dienen. Den Wärmeaustauscher durchströmendes Fluid kann im Betrieb beispielsweise über den in Fig. 3 oben dargestellten Anschlußraum 12'in die Kanäie 11 geleitet werden und nach Durchtritt durch die Kanäle den Mikroreak- tor durch den in Fig. 3 unten gezeigten Anschlußraum 12"'wieder verlassen.

Mehrere Lagen der gezeigten Art liegen in dem Wärmeaustauscher überein- ander. Die an die gezeigte Lage angrenzenden Lagen darüber und darunter weisen Kanäle auf, die gegenüber den Kanälen der dargesteliten Lage um 90° verdreht sind. Damit ergibt sich eine Stapeifolge... ABABAB..., wobei A die Lagen mit der gezeigten Ausrichtung und B die angrenzenden Lagen mit um 90° verdrehter Ausrichtung bedeuten. Dadurch liegen einerseits die Anschluß- räume 12'und 12"'der Lagen mit der Bezeichnung A übereinander und ande- rerseits die Anschlußräume 12"und 12""der Lagen mit der Bezeichnung B übereinander. Die Kanake in den Lagen mit der Bezeichnung A stehen über die jeweiligen Anschiußräume miteinander in Verbindung. Dasselbe gilt für die Kanäle in der Lage mit der Bezeichnung B. Eine Fluidverbindung zwischen den Strömungskanälen in den beiden Lagentypen A und B besteht nicht. Dadurch ist es möglich, zwei Fluide unabhängig voneinander durch den Wärmeaustau- scher hindurchzuleiten, beispielsweise eine heiße und eine kalte Füssigkeit. Im Betrieb wird die heiße Flüssigkeit im Wärmeaustauscher durch die kaite abge- kühlt und die kalte durch die heiße aufgewãrmt.

Zur gas-und flüssigkeitsdichten Verbindung der Anschlußräume 12', 12", 12"', 12""mit entsprechenden Zu-und Ableitungen sind beispielsweise Schraubverbindungen vorgesehen. Die die Anschiußräume begrenzenden Kanalebenenbereiche 13 dienen als Stutzen für die Schraubverbindungen und werden hierzu so bearbeitet, daß von der jeweiligen Stirnfläche des Reaktors aus gesehen kreisrunde Vorsprünge mit Außengewinden entstehen, so daß Zu- und Ableitungsrohre an diese Stutzen beispielsweise mit Überwurfmuttern gas- und flüssigkeitsdicht angeschlossen werden können. Die Zu-und Ableitungen stehen mit den nach außen offenen Anschlußräumen 12', 12", 12"', 12""in Verbindung. Selbstverständlich können die Anschlüsse zu den Zu-bzw. Ablei- tungsrohren auch durch Schweiß-oder Lötverbindungen hergestellt werden. In diesem Falle ist jedoch wiederum zu berücksichtigen, daß beim Fügen wår- meempfindiiche funktionelle Schichten in den Wärmeaustauscherkanälen beschädigt oder gar zerstört werden könnten. Daher ist ein mechanisches Verfahren zum Herstellen der Anschlüsse vorzuziehen.

Ein erfindungsgemäßes Mikrobauteil weist typischerweise äußere Seitenlängen auf, die im Bereich von einem bis zu einigen Zentimetern liegen. Die Anschluß- räume 12', 12", 12"', 12"" der in Fig. 3 dargestellten Lage 10 weist im vorliegen- den Fall Seitenlängen von jeweils 1 cm auf.

Selbstverständlich können die Lagen auch Kanäle mit anders gestalteter Form aufweisen, beispielsweise für Aniagen im Gegenstromprinzip, sowie Durch- brechungen zu benachbarten Lagen. Durchbrechungen können durch geeigne- te Abscheidung von Metall beim Bilden der ersten und der zweiten Metallschicht gebildet werden. Die Durchbrechungen können auch durch chemisches oder elektrochemisches Ätzen der gebildeten ersten und zweiten Metallschicht erzeugt werden.

Auf der metallischen Schicht einer Lage 10 können auch weitere Funktionen vorgesehen werden. Zum einen können sogenannte Aktoren und Sensoren in einen Mikroreaktor integriert werden. Bei den Aktoren handelt es sich um extern oder durch Meßsignale automatisch ansteuerbare Schaltglieder, beispielsweise Ventile, aber auch elektrische Widerstandsheizungen oder nach dem Peltier- effekt funktionierende Kühlelemente. Mikroreaktoren, in denen Aktoren und Sensoren vorgesehen sind, lassen sich bei geeigneter regelungstechnischer Verknüpfung von Aktoren und Sensoren lokal optimieren. Gleichzeitig können die Sensorausgänge für die externe Überwachung des Reaktorzustands (wie beispielsweise die Alterung, Vergiftung von Katalysatoren und ähnliche Para- meter) verwendet werden.

Für die Aktoren und Sensoren sind gegebenenfalls auch elektrische Verbin- dungsleitungen zur Ansteuerung oder zur Erfassung von Meßsignalen auf den Substraten vorzusehen. Für diese Elemente müssen jeweils geeignete Struktu- rierungselemente beim Photoprozeß berücksichtigt werden.

In das Innere von Mikroreaktoren können beispielsweise auch Mikrochips zur Steuerung von Aktoren und Sensoren integriert werden, indem die Mikrochips gegenüber den metallischen Lagen elektrisch isoliert werden. Hierzu können die

Chips beispielsweise auf die Siebdrucklackschicht, photoempfindiiche Schicht oder perforierte Folie aufgesetzt werden. Die elektrischen Verbindungen zu entsprechenden Steuer-und Signalleitungen können durch gebondete Drähte oder andere bekannte Verbindungstechniken, wie beispielsweise durch Löten oder Kleben, hergestellt werden.

Ferner können bei der Bildung der Strukturen neben den eigentlichen Reak- tionszellen gleichzeitig auch periphere Reaktorkomponenten, wie Zuleitungen, Mischzonen, Heiz-oder Kühikreistäufe gebildet werden, so daß der Herstell- aufwand verringert wird. Daher sind diese Elemente beim Photostrukturieren bereits vorzusehen. Außerdem werden auch die üblicherweise auftretenden Dichtungsprobieme minimiert.

In Fig. 4 ist ein Ensemble von sechs Kanalebenen für mehrere Durchflußreak- toren in einem Mehrfachnutzen dargestellt. Der Nutzen erhält in der Nähe der Ecken sogenannte Tooling-Holes 15, die zur genauen Ausrichtung von Masken zur Erzeugung von Strukturen in aufeinanderfolgenden Lagen dienen.

Gegenüber der Kanallage in Fig. 3 unterscheiden sich die hier gezeigten Lagen dadurch, daß nur Aussparungen für Anschlußräume 12', 12'" auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten der Lagen vorgesehen sind, während im Falle der Lage von Fig. 3 auch um 90° verdreht angeordnete Aussparungen vorhanden sind.

Um die Herstellung der Reaktoren besonders wirtschaftlich zu gestalten, wer- den die Einzelelemente der Reaktoren in diesem Fall in einem Mehrfachnutzen gleichzeitig hergestellt. Die Einzelreaktoren werden anschließend längs der gestrichelten Linien 14 voneinander getrennt.