Mikrotechnik: Typische Herstellungsverfahren

Mikrotechnik: Typische Herstellungsverfahren

 

Den Unterschied zwischen Mikroelektronik und Mikrotechnik kann man am ehesten anhand der Idee einer implantierbaren Medikamenten-Mikrodosierpumpe aufzeigen. Diese soll möglichst klein sein und bei Bedarf beispielsweise Insulin an den Körper eines Patienten abgeben. Sie muss also in der Lage sein, zu erkennen, wann dies nötig ist, und sie muss die richtige Dosis an das Blut abgeben. Die erste Aufgabe nimmt ein Sensor wahr, der den Blutzuckergehalt misst, die zweite ein Aktor, die eigentliche Pumpe. Dazwischen finden eine elektronische Signalverarbeitung und -auslösung statt. Ein solches Gerät benötigt einen dicht schließenden Vorratsbehälter, muss einen physikalischen oder chemischen Effekt zur Analyse des Blutes nutzen und das Analyseergebnis in ein elektronisches Signal umsetzen, es braucht einen kleinen Antrieb zur Flüssigkeitsförderung und natürlich einen Energievorrat, zum Beispiel in Form einer winzigen Batterie. Es besteht also aus einer Vielfalt von sehr kleinen und präzisen Strukturen, deren Herstellung nur anhand der besprochenen Planarverfahren aus der Mikroelektronik kaum möglich ist. Aber trotzdem: Außer bekannten Verfahren der Feinwerktechnik (die einer ständigen Verfeinerung unterliegen) und ganz neuen Bearbeitungsmethoden kommen auch häufig die aus der Mikroelektronik bekannten Fertigungsverfahren wie Lithographie- und Dünnschichttechniken zum Zug, wenn auch oft in abgewandelter Form.

 

 Mikrotechnik - der Schritt in die dritte Dimension

 

In winzigen integrierten Schaltkreisen werden heute riesige Mengen an Daten gespeichert und verarbeitet. Mikroelektronik ist überall präsent, ob bei der Steuerung des Videorekorders oder bei der von Marsvehikeln, im Handy wie im Unterseeboot. Nun lässt sich durch geschickte Anordnung elektronischer Komponenten eine große Menge an Funktionen realisieren, wie Speichern, Modulieren, Filtern, Verstärken, logische Verknüpfungen, aber eben nur elektronische Funktionen. Eine Reihe ganz anderer Funktionen im Miniaturformat zu verwirklichen, erscheint Wissenschaftlern und Technikern aber ebenso erstrebenswert: etwa mechanische Funktionen wie Schwingelemente, die durch ihre Trägheit Beschleunigungen oder Vibrationen wahrnehmen, oder winzige Antriebe zur mikrometergenauen Positionierung, optische Funktionen wie die Detektion oder Aussendung von Lichtsignalen, fluidische Funktionen wie das Pumpen, Mischen oder Dosieren kleinster Flüssigkeitsmengen und vieles andere mehr.

 

In den Siebziger- und vor allem den Achtzigerjahren des 20. Jahrhunderts bildete sich eine Reihe neuer technischer Disziplinen heraus: Mikromechanik, Mikrooptik, Mikrofluidik. Vieles konnten diese neuen Gebiete von der Mikroelektronik übernehmen, vor allem Mikrostrukturierungsverfahren. Im Vergleich zur Mikroelektronik stellten sich die neuen Disziplinen, die man auch gern zur Mikrotechnik oder mit der Mikroelektronik zur Mikrosystemtechnik zusammenfasst, als wesentlich anspruchsvoller heraus. Und das gleich hinsichtlich mehrerer Punkte.

 

Mikrotechnik benötigt zum Beispiel in weitaus höherem Maße als die Elektronik die dritte Dimension. Während mikroelektronische Schaltkreise — sieht man einmal von den sie schützenden Gehäusen ab — doch in erster Linie planar, also zweidimensional geblieben sind, werden ein miniaturisierter Motor, ein Mini-Schwingkörper oder ein winziges Linsensystem immer im Wesentlichen dreidimensional sein und deshalb gegenüber der Mikroelektronik abgewandelte oder ganz andere Herstellungsverfahren erfordern. Nicht nur Lithographietechniken sind gefragt, sondern genauso die Präzisionsmethoden der »konventionellen« Feinwerktechnik, Laserstrahlwerkzeuge und ausgeklügelte Ätztechniken.

 

Ein weiterer Unterschied zur Mikroelektronik ist klar erkennbar, er betrifft die benötigten Materialien. Für optische Systeme — zumindest im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich — benötigt man durchsichtige Werkstoffe, etwa Glas. Will man winzige Relais oder andere elektromechanische Komponenten herstellen, benötigt man Metalle, am besten weichmagnetische Eisen-Nickel-Legierungen. Für Sensoren in unwirtlicher Umgebung empfehlen sich hochtemperaturbeständige und chemisch inerte Materialien, etwa spezielle Keramiken. Für die Herstellung von Mikrostrukturen in großen Stückzahlen würde man gerne Massenfertigungsmethoden einsetzen, mit denen sich vorzugsweise Kunststoffe leicht verarbeiten lassen.

 

Will man ein Mikrosystem anfertigen, in dem mehrere unterschiedliche Funktionen realisiert werden sollen, so müssen meist in Form und Material gänzlich verschiedene Komponenten zusammengefügt werden. Eine gegenüber der Mikroelektronik ganz andere, nämlich wesentlich komplexere Aufbau- und Verbindungstechnik ist vonnöten, eine »Mikromontage«, die mikrometergenaues Greifen und Zusammenfügen, Kleben mit winzigen Klebstoffmengen, Laserschweißen mit fein fokussierten Strahlen und weitere Techniken erfordert.

 

Verfeinerung der Feinmechanik: Fräsen mit Formdiamanten

 

Beim Blick in eine Mechanikwerkstatt glaubt man nicht, dass all die mannsgroßen computergesteuerten Fräsen, Bohrmaschinen und Drehbänke in der Lage sein könnten, Mikrostrukturen zu erzeugen. Und doch: Diese konventionellen Techniken sind in den letzten Jahren so stark verbessert und verfeinert worden, dass zum Beispiel Löcher mit 50 Mikrometern Durchmesser gebohrt werden können. Das Fräsen mit Formdiamanten gehört hier ebenso dazu wie das Verfahren der Funkenerosion.

 

Fräsen ist an sich eine konventionelle Technik zur Herstellung äußerst glatter Oberflächen, wohldefinierter Ritzmuster und feinster Drehformen. Um mikroskopisch exakte Strukturen herzustellen, bedient man sich heute Formdiamanten, die an Frässpindeln angebracht sind, welche von ultrapräzisen Führungen für Rotation und Vorschub positioniert werden. Besonders das Stirn- oder Fingerfräsen und das Umfangsfräsen sind Bearbeitungsformen aus der Feinmechanik, die auch in der Mikrotechnik angewendet werden können.

 

Funkenerosion

 

Nähert man zwei gegensätzlich geladene Körper — Werkstück und Werkzeugelektrode — einander an, so kommt es, je nach der vorhandenen Spannungsdifferenz, ab einem gewissen Minimalabstand zum Funkenüberschlag: Das elektrische Feld wird so stark, dass es die Luftmoleküle im Zwischenraum eines Teiles ihrer Elektronen beraubt — sie werden ionisiert. Ionisierte Moleküle (oder Ionen) und freigesetzte Elektronen werden durch das elektrische Feld in entgegengesetzte Richtungen beschleunigt; Stöße mit weiteren Molekülen erzeugen dabei noch mehr Ionen. Wenn nun Elektronen von den Ionen wieder aufgenommen werden, geben diese Energie ab, welche unter anderem als Licht ausgesendet wird. Dieses nehmen wir als Funken wahr. Treffen die beschleunigten Ionen und Elektronen auf einen Körper, so besitzen sie eine Energie, die einer Temperatur von mehreren Tausend Grad entspricht, sodass das beschossene Material praktisch augenblicklich verdampft und abgetragen wird. Diese Bearbeitungsmethode heißt Elektro- oder Funkenerosion.

 

Durch die von den Funkenüberschlägen auf dem Werkstück ausgelöste Materialabtragung werden die Umrisse der Elektrode auf dem Werkstück abgebildet. Durch langsames Annähern der Elektrode an das Werkstück kann somit die gesamte räumliche Form der Elektrode dem Werkstück aufgeprägt werden (Senkerosion). Eine andere Anwendungsmöglichkeit ergibt sich bei Wahl eines dünnen Drahtes als Werkzeugelektrode: In diesem Fall kann dieser in der Art einer Laubsäge durch das Werkstück hindurchbewegt werden und ein Formteil mit komplexer Gestalt schaffen (Drahterosion). Dabei werden Drähte mit Durchmessern bis hinab zu 30 Mikrometern verwendet. Die erreichbaren maximalen Oberflächenrauigkeiten liegen im Bereich von nur wenigen Mikrometern. Die Funkenerosion ermöglicht dabei nicht nur eine große Formenvielfalt, sie ist auch eine der ganz wenigen Methoden, mit der sich Stahl mikrostrukturieren lässt.

 

Laserstrahlwerkzeuge

 

Licht transportiert Energie, und zwar in einzelnen »Portionen«, die Lichtquanten oder Photonen genannt werden. Beim Auftreffen von Lichtstrahlen auf Materie können diese Photonen reflektiert oder absorbiert werden. Werden sie absorbiert, wird die Energie der Photonen vom Material aufgenommen. Im »harmlosesten« Fall wird das Material dabei erwärmt. Ist die Photonenenergie aber groß genug, so kann das Material aufgeschmolzen und sogar verdampft werden, oft unter Zersetzung in kleine flüchtige Moleküle.

 

Diese Effekte macht man sich bei der Lasermaterialbearbeitung zunutze. Viele Lasertypen erzeugen Lichtbündel großer Intensität, deren Photonen eine hohe Energie besitzen. Da dieses Licht normalerweise praktisch aus parallelen Strahlen besteht, ist es auch gut fokussierbar. Das führt zu einer enormen Erhöhung der Lichtintensität im Brennpunkt, dessen Ausdehnung in der Größenordnung der verwendeten Wellenlänge liegt (also um 0,5 Mikrometer herum). Dieses Prinzip wird umgesetzt in einer ganzen Reihe von »Strahlwerkzeugen«. So sind zum Beispiel Kohlendioxid-Laser zum Schneiden und Schweißen dicker Stahlplatten weit verbreitet. Mit Neodym-Granat-Lasern können Werkstücke aus Metall, Glas oder Keramik graviert oder verschweißt werden. Die Strahlung von Holmium-Granat- und Erbium-Granat-Lasern lässt sich in Glasfasern einkoppeln und wird beispielsweise in der Chirurgie verwendet.

 

Femtosekundenpulse für die Mikroablation

 

Zum Abtragen (Ablation) von Material wird häufig der Excimer-Laser eingesetzt. Er sendet eine gepulste Strahlung im ultravioletten Wellenlängenbereich aus, die aufgrund der Kürze der Pulse (etwa 10—30 Nanosekunden) eine besonders hohe Leistung erreicht. Mit Excimer-Lasern können feinste Löcher und mithilfe geformter Blenden eine Vielzahl weiterer Formelemente auf kleinstem Raum erzeugt werden.

 

Zukünftig werden vor allem auch Titan-Saphir-Laser zur Materialbearbeitung eingesetzt werden, die in der Lage sind, Laserimpulse im Bereich einiger hundert Femtosekunden (eine Femtosekunde dauert 10^-15 Sekunden, das ist der millionste Teil einer Nanosekunde) zu emittieren. Die äußerst komplizierten Prozesse des Energieübertrags vom Puls auf die Materie und die unterschiedliche Ausbreitung der Wärme durch angeregte Elektronen einerseits und Atome andererseits scheint sich mit solchen Pulsen besser beherrschen zu lassen. Während beim Puls eines Excimer-Lasers, der zum Beispiel 20 Nanosekunden lang ist, das zuerst auf das Werkstück treffende Licht bereits eine Wolke verdampften Materials erzeugt, durch die der »hintere Teil« des Pulses hindurch muss und dabei geschwächt und abgelenkt wird, ist die Absorption eines Femtosekundenpulses abgeschlossen, bevor die Wolke erzeugt wird.

 

Mikroschweißen mit dem Laser

 

Mit einem mehr oder weniger stark fokussierten Laserbündel lassen sich Materialien auch anschmelzen und so zwei Werkstücke miteinander verbinden. Bei diesem Laserschweißen wird das Material wesentlich schneller aufgeschmolzen als mit einem herkömmlichen Schweißgerät, und dies in einem durch den winzigen Brennfleck vorgegebenen sehr kleinen Bereich. Dadurch wird es möglich, beispielsweise zwei Metalle, die sich wegen stark unterschiedlicher Schmelztemperaturen nicht gut auf konventionelle Weise miteinander verschweißen lassen, doch zu verbinden. Da Laserlicht durchsichtige Materialien durchdringt, kann man mit ihm auch im »Innern« von Mikrostrukturen arbeiten. Sollen etwa zwei kleine Kunststoffteile innig miteinander verbunden werden, so wird eines davon so ausgeführt, dass es für Licht einer bestimmten Wellenlänge transparent ist, während das andere Teil gerade dieses Licht absorbiert. Fokussiert man den Laser durch das durchsichtige Werkstück hindurch auf das absorbierende, so wird durch die Lichtabsorption genau an der Berührungsfläche der beiden Werkstücke so viel Wärmeenergie freigesetzt, dass es zum Verschweißen der Teile kommt.

 

Wie diese beiden Beispiele gezeigt haben, können fein fokussierbare Laser auch und gerade zur Mikrostrukturierung benutzt werden. Natürlich arbeiten diese Fertigungsmethoden nicht parallel: Nur ein Werkstück nach dem anderen kann mikrostrukturiert werden. Das beschränkt den Lasereinsatz in der Regel auf kleinere Serien, macht ihn aber auch zu einem idealen Werkzeug des »Rapid Prototyping«, also des schnellen Anfertigens erster Versuchsmuster.

 

Ätzende und abscheidende Laser

 

Laserlicht kann auch chemische Reaktionen auslösen. So kann die Wechselwirkung des Lichts mit einem stabilen, harmlosen Gas oder einer ebensolchen Flüssigkeit diese in reaktive, ätzende Spezies umwandeln oder daraus nichtflüchtige, feste Bestandteile abscheiden. Dies kann man sich zunutze machen, indem man ein solches Reaktionsmedium in einer Kammer mit dem Werkstück in Kontakt bringt und dieses Werkstück nur dort mit dem fein fokussierten Laser beleuchtet, wo das Reaktionsmedium eine solche Umwandlung erfahren soll. So kann beispielsweise Aluminium aus dem gasförmigen Aluminiumhydrid auf ein Kunststoffsubstrat abgeschieden werden. Die Laserabscheidung lässt sich bezüglich ihres Einsatzes in der Mikrostrukturtechnik als Pendant zu lithographischen Verfahren betrachten. Während letztere »subtraktiv« arbeiten — sie bauen beim Strukturieren Material ab —, wird durch Laserabscheidung Material hinzugefügt, die Methode kann also als »additiv« bezeichnet werden. Sie könnte somit helfen, aufwendige Maskenherstellungsverfahren mit hohem Lösungsmittelverbrauch zu ersetzen. Darüber hinaus kann man mit Laserabscheidung auch dreidimensionale Strukturen aus Metall erzeugen.

 

 Tiefenlithographie und Replikationstechniken

 

Will man Lithographieverfahren zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen nutzen, so geht der erste Schritt »in die Höhe«, also dahin, dickere Photolackschichten zu strukturieren. Während man in der Halbleitertechnik, wo es um die Realisierung von planaren Strukturen geht, allenfalls Schichten von etwa einem Mikrometer Dicke auf den Wafer aufträgt und strukturiert, bearbeitet man in der Tiefenlithographie Schichten, die viele Mikrometer bis zu etwa einen Millimeter dick sind. Dazu kann aufgrund von Beugungseffekten kein UV-Licht mehr benutzt werden, dieses würde bei sehr dicken Photolackschichten in der Tiefe der Schicht eine nur unscharfe Abbildung ergeben. Ein anderer Grund, warum man UV-Licht nicht verwenden möchte, ist seine geringe Eindringtiefe in herkömmliche Photolackmaterialien.

 

Nutzung extrem kurzer Wellenlängen

 

Da Beugungseffekte bei kürzeren Wellenlängen weniger ins Gewicht fallen, wählt man für die Tiefenlithographie vorzugsweise Röntgenstrahlen, die auch weit in die Resistschicht eindringen können. Als ideale Quelle für Röntgenstrahlen haben sich Synchrotrons erwiesen. Diese in der Elementarteilchenphysik entwickelten, annähernd ringförmigen Anlagen dienen zum Beschleunigen und Speichern von geladenen Elementarteilchen. Die Teilchen werden dabei von speziell geformten Elektromagneten auf ihrer Bahn geführt. Sie senden während ihres Flugs durch die Anlage eine Synchrotronstrahlung genannte elektromagnetische Strahlung aus, deren Wellenlänge von der Teilchengeschwindigkeit und dem Radius des Synchrotrons abhängt. Bei den in der Teilchenphysik verwendeten Geräten liegt die Wellenlänge im Bereich der Röntgenstrahlung. Da sich die Teilchen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit durch die Anlage bewegen, kommt es zu Effekten, zu deren Erklärung man die von Albert Einstein entwickelte Spezielle Relativitätstheorie heranziehen muss. So senden die Teilchen ihre Strahlung nicht, wie man »klassisch« annehmen sollte, gleichmäßig in alle Raumrichtungen aus, sondern vollständig tangential zur Kreisbahn. Darüber hinaus ist die Strahlung noch sehr intensiv und annähernd parallel — ähnlich wie dies auch bei Laserstrahlen der Fall ist.

 

Chrommasken, wie sie in der Halbleitertechnik zur Herstellung der integrierten Schaltkreise verwendet werden, lassen sich in der Röntgenlithographie nicht einsetzen: Die Energie der Röntgenquanten ist so groß, dass sie in einer wenige Nanometer mächtigen Chromschicht nicht abgefangen werden. Der Grund dafür ist, dass Röntgenstrahlen von Materialien mit geringer Kernladungszahl (wie Chrom mit Z = 24) durchgelassen, von solchen mit großer Ordnungszahl hingegen absorbiert werden. (Letzteres nutzt man in der ärztlichen Praxis und schützt Körperteile, die nicht untersucht zu werden brauchen, mit Bleischürzen.)

 

Eine Maske für die Röntgenlithographie besteht aus einer dünnen Folie aus Beryllium, Diamant oder Siliciumnitrid, die zum Beispiel auf einem Metallring aufgespannt ist, und einer auf dieser Folie angeordneten Absorberstruktur aus Gold (Kernladungszahl 79), die einige zehn Mikrometer dick ist. Ziel ist es, eine Photolackschicht zu strukturieren, die sich auf einem metallischen Wafer befindet. Die Maske wird so nahe wie möglich über der Photolackschicht fixiert. Dann wird das Paar aus Wafer und Maske in eine Belichtungskammer eingeführt und von einem präzisen Führungsmechanismus durch den wenige Zentimeter breiten, aber nur etwa einen Millimeter dicken Synchrotronstrahlenfächer auf- und abbewegt. Dies ist notwendig, weil sich die Absorberstruktur auf der Maske durch die Absorption der Röntgenstrahlen erhitzt, was zu einem thermischen Verzug der Maske und damit zu einer Störung der Strukturabbildung führen könnte.

 

Da die Dicke der Resistschicht bei der Röntgentiefenlithographie deutlich größer sein kann als die seitlichen Abmessungen der Absorberstrukturen auf der Maske, ergibt sich jetzt die Möglichkeit, nicht nur »hohe zweidimensionale«, sondern »echt« dreidimensionale Strukturen zu erzeugen. Dazu kann man beispielsweise das Pärchen aus Maske und Wafer mit Resistschicht gegen die einfallende Synchrotronstrahlung verkippen. Daraus resultieren nach dem Entwickeln geneigte Resiststrukturen. Führt man mehrere solcher Schrägbelichtungen nacheinander aus unterschiedlichen Einfallswinkeln durch, so erhält man komplexe räumliche Formen.

 

Präzision in großer Stückzahl: die LIGA-Technik

 

Zwar nutzt die Röntgentiefenlithographie Masken, die für viele Bestrahlungen verwendet werden können, sie erzeugt aber vorerst »nur« Resiststrukturen. Um zu wirklich erschwinglichen Produkten aus einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien zu gelangen, die die hohe Präzision dieser Resiststrukturen aufweisen, muss man zweierlei tun: mit gleicher Präzision ein möglichst widerstandsfähiges Werkzeug herstellen und dann mit diesem Werkzeug das gewünschte Produkt in hoher Stückzahl aus gut verarbeitbaren Materialien fertigen. Dies wird durch eine Prozessfolge ermöglicht, die bereits Mitte der 1980er-Jahre in Deutschland entwickelt wurde und »LIGA« genannt wird. Diese Abkürzung steht für die Hauptschritte Lithographie, Galvanoformung und Abformung.

 

Vergoldete, versilberte oder verchromte Gegenstände sind uns aus dem täglichen Leben wohl bekannt. Hergestellt werden diese metallischen Überzüge oft auf elektrochemischem Weg. Metalle, die in Metallsalzlösungen als positiv geladene Metallionen vorliegen, werden nämlich von einer negativ geladenen Kathode angezogen, entladen sich und scheiden sich dort als dünne, feste Schicht ab. Will man strukturierte metallische Körper auf diese Art herstellen, also durch Abscheidung statt durch abtragende Bearbeitung des Metalls, so muss man der Metallsalzlösung eine vorstrukturierte Kathode anbieten, wobei die gewünschte Form sozusagen als »räumliches Negativ« dient. Diesen Vorgang nennt man Elektro- oder Galvanoformung (das »G« in LIGA).

 

Als Form benutzt man die durch Tiefenlithographie entstandene Resiststruktur. Das Resistmaterial ist, da es aus organischem Material besteht, zwar nicht leitend, kann also selbst nicht als Elektrode dienen, es befindet sich aber auf einem metallischen Wafer. Wird dieser als Kathode in einem galvanischen Bad benutzt, beispielsweise in einer Nickelsulfamatlösung, so beginnen sich die Nickelkationen in die Zwischenräume zu bewegen und werden an der Waferoberfläche entladen und abgeschieden. So füllen sich nach und nach die Zwischenräume auf, und nach dem Zusammenwachsen der Bereiche zu einer kompakten Metallstruktur und deren Nachbearbeitung erhält man ein metallenes Negativ der Resiststruktur. Metalle, die abgeschieden werden können, sind zum Beispiel Kupfer, Gold oder Nickel.

 

Für viele Anwendungen der Mikrotechnik wünscht man sich jedoch Strukturelemente aus Metalllegierungen. Für die Verwendung in elektromagnetischen Aktoren sind beispielsweise Eisen-Nickel-Legierungen wünschenswert, für möglichst dauerhafte Werkzeuge bevorzugt man harte Legierungen aus Nickel und Wolfram oder Nickel und Cobalt. Die Galvanoformung solcher Mikrostrukturen aus den entsprechenden Lösungen von Salzgemischen ist problematisch, da die unterschiedlichen Metallionen auch unterschiedliche Wanderungsgeschwindigkeiten besitzen. Dadurch würde sich am Anfang des Prozesses bevorzugt eines der Metalle abscheiden und am Ende, wenn das erste im Galvanikbad kaum mehr vorkommt, das andere. Unerwünschte Inhomogenitäten und mechanische Spannungen in der Mikrostruktur wären die Folge. Man kann dem begegnen, indem man die Dosierung der Legierungsmetalle streng kontrolliert und während des Formungsprozesses die elektrische Spannung regelmäßig umpolt.

 

Um die hohe Präzision der Metallteile (im Mikrometerbereich und darunter), die durch Röntgenlithographie und nachfolgende Galvanoformung erreicht werden kann, in ein Massenprodukt aus Kunststoff überzuführen, bedarf es einer Abformmethode (das »A« in LIGA).

 

Mikroabformung

 

Abformverfahren beruhen darauf, dass die Form eines Werkzeuges, es heißt deswegen auch Formwerkzeug oder »Master«, einem wesentlich weicheren Material eingeprägt wird. Mit einem einzigen Werkzeug können so sehr viele Formteile hergestellt werden.

 

Im industriellen Bereich sind die Werkstoffe, die sich am einfachsten abformen lassen, Kunststoffe, vor allem solche Kunststoffe, die sich durch Erwärmen schmelzen lassen und sich dabei chemisch nicht verändern, also auch nach dem Abkühlen ihre vorherigen Eigenschaften beibehalten. Man nennt solche Kunststoffe Thermoplaste. Eine metallische Mikrostruktur beispielsweise kann in ein erhitztes und damit weiches Thermoplastplättchen eingepresst werden wie ein Siegelring in weiches Wachs. Dieser Prozess des Heißprägens liefert ein getreues Formnegativ des Metallstempels.

 

Wesentlich vielseitiger, was Formenvielfalt und Materialien angeht, ist das Spritzgussverfahren. Damit werden in der »Makrotechnik« Plastikschüsseln, Stoßstangen für Autos, LEGO-Steine, Kugelschreibergehäuse und andere Massenprodukte gefertigt. Das Ausgangsmaterial Kunststoffgranulat wird dabei in der Spritzgussmaschine kontinuierlich aus einem Vorratsbehälter in eine Heizkammer hinein transportiert, wo es aufgeschmolzen und von einer Transportschnecke weiterbefördert wird. Die Schnecke baut einen sehr hohen Druck auf, und bei Öffnung eines Düsenventils wird die heiße Schmelze in einen Werkzeughohlraum (das Formnest) hineingepresst, der das Negativ des gewünschten Formteils darstellt. In diesem Hohlraum erkaltet dann der Kunststoff. Das Werkzeug wird sodann an seiner Trennebene auseinander gefahren, sodass der erstarrte Anguss entnommen werden kann. Dieser Schritt heißt Entformen.

 

Im Falle des Abformens sehr kleiner Strukturen hat man mit mehreren technischen Problemen zu kämpfen. Zum einen kann beim »Makrospritzguss« die im Formnest befindliche Luft durch dünne Fugen im Werkzeug entweichen. Die Plastikschmelze ist zu viskos, um dadurch zu entkommen. Beim Mikrospritzguss sind viele Strukturen in eben der Größenordnung solcher Fugen abzuformen. Demgemäß muss die Schmelze deutlich dünnflüssiger sein und Fugen im Werkzeug sind weitestgehend zu vermeiden. Wohin aber mit der Luft im Formnest? Sie würde durch die einströmende Schmelze verdichtet und dadurch so stark erhitzt, dass sie den Kunststoff thermisch zersetzen würde. Deshalb wird das Formnest für den Mikrospritzguss vor dem Einspritzen leer gepumpt. Zum anderen ist das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen bei Mikrostrukturen sehr groß. Dadurch wird beim Kontakt der heißen Schmelze mit den Mikrostrukturen des Formnests der Schmelze relativ rasch Wärme entzogen. Das macht die Schmelze dickflüssiger und kann bewirken, dass sie bereits vor dem vollständigen Füllen des Formnestes erstarrt. Deshalb wird nicht nur der Einspritzteil des Werkzeuges, sondern auch das Formnest geheizt.

 

Im Spritzgussverfahren werden zum Beispiel auch Compact Discs (CDs) hergestellt. Die Strukturen, die eine CD trägt, sind zwar auch sehr klein, jedoch nicht besonders tief und zusätzlich auf einer großen Fläche angeordnet. Deshalb schafft man es, dass etwa alle zehn Sekunden eine CD aus der Maschine entnommen werden kann. Beim Mikrospritzguss, wo man mit zusätzlichem aktivem Heizen — und natürlich auch aktivem Abkühlen — arbeitet, erreicht man noch keine derart kurzen Zykluszeiten.

 

Folien mit Funktion

 

Eine andere interessante Anwendung von mikrostrukturierten Oberflächen, die nach dem LIGA-Verfahren hergestellt werden, lehnt sich an natürliche Vorbilder an: Es ist hinlänglich bekannt, dass eine »stromlinienförmige« Außenkontur von Fahrzeugen, Schiffen und Flugkörpern dazu führt, den Reibungsverlust zu vermindern. Trotzdem ist der c_w-Wert, das Maß für den Widerstand eines Körpers gegenüber dem ihn umströmenden Medium (hier: Luft oder Wasser), beim tauchenden Pinguin mit etwa 0,016 wesentlich besser als bei einem modernen PKW mit gerade mal 0,3. Zum einen ist dies natürlich konstruktionsbedingt. Zum anderen fällt aber auf, dass besonders strömungsgünstige, stromlinienförmige Tiere fast nie eine glatte, starre Oberfläche besitzen — ihr Körper ist vielmehr von Haaren oder Federn bedeckt. Viele Fische besitzen eine lockere, bewegliche Schleimschicht. Andere Fische, die keinen Schleim absondern, wie die besonders schlanken, torpedoförmigen Haie, besitzen eine rauhe Haut, die sich wie Sandpapier anfühlt. Unter dem Mikroskop erkennt man, dass die Haifischhaut aus lauter feinen, gerippten, gegeneinander beweglichen Schuppen besteht. Untersuchungen im Windkanal haben gezeigt, dass diese Feinstruktur die Strömung offenbar besonders günstig um den Körper herumführen kann, ohne dass sich Verwirbelungen bilden, die den Gesamtwiderstand stark erhöhen. In einem Großversuch wurden über Prägewalzen Folien mit viel primitiveren, aber ähnlichen Strukturen versehen; diese Folien wurden dann an die Außenhaut eines Flugzeugs geklebt. Der Strömungswiderstand nahm bei diesem ersten Test bereits um sechs Prozent ab, was einer Treibstoffeinsparung — je nach Flugzeugtyp — von 60 bis 200 Tonnen pro Jahr entspricht.

 

Auch einfachere kleine, dafür aber sehr präzise Strukturen lassen sich großflächig prägen. Am bekanntesten sind Reflexionsfolien, die aus lauter winzigen Tripelspiegeln bestehen. Ein Tripelspiegel reflektiert einen Lichtstrahl immer genau in die Richtung zurück, aus der er kommt. Reflektoren an Fahrzeugen und Fahrbahnbegrenzungen arbeiten nach diesem Prinzip. Wenn man die Tripelspiegel miniaturisiert und in großer Zahl dicht nebeneinander prägt, kann man die Bauteildicke wesentlich herabsetzen und gelangt so zu flexiblen, aufklebbaren Folien. Sie finden breite Verwendung an Kleidung und großen Verkehrsschildern oder Hinweistafeln.

 

Abformung bei keramischen Werkstoffen

 

Abformverfahren sind nicht auf Kunststoffe beschränkt. Man kann keramische Mikrostrukturen dadurch herstellen, dass man einen Schlicker, eine Aufschlämmung von feinem keramischen Pulver in Wasser, in eine Kunststoffmikrostruktur einfüllt, trocknen lässt und dann in einem Ofen erhitzt, wobei sich die Keramik verfestigt, die Kunststoffform restlos verbrennt und die entstandene keramische Mikrostruktur bei noch höheren Temperaturen gesintert, das heißt verfestigt wird.

 

Alternativ kann man auch aus einem zähen Keramikbrei eine Vorform, den Grünkörper, herstellen, vergleichbar der Form, die ein Töpfer aus Ton formt. Dieser Grünkörper (zum Beispiel ein Band oder ein Plättchen) kann dann mit einem Mikrostrukturen tragenden Stempel geprägt werden, beispielsweise einem galvanogeformten Master. Nach Entfernen des Prägewerkzeugs werden die strukturierten Grünkörper zum »Brennen« in den Sinterofen gebracht.

 

Auch durch Spritzgießen lassen sich keramische, ja sogar metallische Mikrostrukturen herstellen. Dazu wird sehr feines Keramik- oder Metallpulver mit einem Kunststoff — dem Binder — vermischt und dann aus diesem Gemisch Granulat hergestellt und in Spritzgussmaschinen verarbeitet. Nach dem Entformen müssen die Formteile durch einen thermischen Prozess vom Binder befreit (»entbindert«) und wiederum gesintert werden.

 

 Silicium-Mikromechanik

 

Es liegt auf der Hand, dass bei der Suche nach geeigneten Verfahren für die Herstellung mikromechanischer Strukturen auf die erfolgreichen Verfahren der Halbleiterfertigung zurückgegriffen wurde. Und das Material, mit dem man am meisten Erfahrung hatte und für dessen Verarbeitung es bereits erprobte Geräte und Methoden gab, war Silicium.

 

Schon wieder im Mittelpunkt: Silicium

 

Zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen in Silicium taugen in erster Linie verschiedene Ätzverfahren. Bei ihnen wird Silicium durch ein flüssiges oder gasförmiges Medium, das mit den Siliciumatomen reagiert, abgetragen — man unterscheidet also zwischen Nass- und Trockenätzverfahren.

 

Lässt man nun Ätzflüssigkeit auf herkömmliche Weise auf einen ungeschützten Waferbereich einwirken, um eine dreidimensionale Struktur zu erzeugen, so passiert Folgendes: Das Ätzmittel »frisst« sich nicht nur in die Tiefe, es greift auch die entstehenden Seitenwände des Ätzgrabens an. Auch wenn die lithographisch hergestellte Oberflächenstruktur sehr fein ist, lassen sich aufgrund dieses »Unterätzens« kaum Gräben herstellen, die wesentlich tiefer als breit sind. Solche Ätzprozesse, die in jeder Richtung mit gleicher Geschwindigkeit ablaufen, werden isotrop genannt. Das Wort »isotrop« kommt aus dem Griechischen und bedeutet richtungsunabhängig. Das Gegenteil, anisotrop, bezeichnet einen Prozess, der in einer Richtung schneller als in einer anderen abläuft, oder einen Körper, dessen Eigenschaften (wie die Bearbeitbarkeit durch Ätzverfahren oder das Lichtabsorptionsvermögen) richtungsabhängig sind.

 

Wünschenswert sind anisotrope Ätzprozesse, bei denen die Ätzrate richtungsabhängig ist, da dann das Unterätzen nicht oder nur in sehr geringem Maße stattfindet.

 

Anisotrope Ätzverfahren

 

Kristalle besitzen in ihrem inneren Gitteraufbau bestimmte ausgezeichnete Ebenen, die Kristallflächen, deren räumliche Lage für jeden Kristall anders ist und die unter anderem dafür verantwortlich sind, dass Einkristalle (wie Quarz oder Diamant) ihre typische würfel- oder pyramidenförmige Gestalt erhalten. Nicht nur das Kristallwachstum wird durch die Kristallflächen beeinflusst, auch Ätzflüssigkeiten wie beispielsweise Kalilauge (Kaliumhydroxid, KOH, in wässriger Lösung) wirken bevorzugt entlang bestimmter Kristallflächen. Wenn man daher einen Siliciumkörper mit unregelmäßiger Oberfläche mit Kalilauge behandelt, so würde dieser im Verlauf des Ätzprozesses eine immer regelmäßigere Gestalt mit ebenen Außenflächen annehmen. Die Außenflächen entsprechen den von diesem anisotropen Ätzprozess nicht oder nur kaum beeinflussbaren Kristallflächen des Siliciums.

 

Das anisotrope Ätzen wird in der Mikrotechnik auf vielerlei Weise angewendet. Zuerst müssen wieder die Bereiche des (einkristallinen) Wafers, die man nicht der Ätzflüssigkeit aussetzen möchte, mit Siliciumdioxid geschützt werden. Die entstandenen »Fenster« zeigen der angreifenden Kalilauge nun Flächen, die leicht ätzbar sind. Da der Ätzprozess nicht überall gleichzeitig ansetzt, entstehen während des Ätzens an vielen Stellen mikroskopische Stufen, die schlecht ätzbare Flächen repräsentieren. Dort stagniert der Ätzprozess, diese Flächen können also immer größer werden. So entsteht beispielsweise in einem rechteckigen Fenster in der Siliciumdioxidschicht bei korrekter Justierung ein Graben mit v-förmigem Querschnitt. Ist das Fenster quadratisch, ergibt sich nach ausreichender Ätzdauer eine pyramidenförmige Vertiefung. Das Ätzen mit KOH geschieht typischerweise bei 50 Grad Celsius und läuft mit einer Ätzgeschwindigkeit von etwa einem Mikrometer pro Minute ab. Das schützende Siliciumdioxid wird hingegen nur mit weniger als zwei Nanometern pro Minute geätzt.

 

Verschiedene Ätzflüssigkeiten bevorzugen jeweils andere Kristallebenen. So kann man mit einer Kombination von mehreren Ätzlösungen und unterschiedlichen Fenstergeometrien eine Vielzahl verschiedener Wandneigungen und Eckengeometrien realisieren. Interessant ist auch, dass durch Dotieren des Siliciums mit Bor beispielsweise eine verringerte Empfindlichkeit des Materials gegen den Ätzangriff erreicht werden kann. Ebenso lassen sich p- und n-dotierte Bereiche eines Siliciumwafers unterschiedlich ätzen, wenn man eine Spannung zwischen Ätzbad und Wafer anlegt. Dieses dotierungsabhängige Ätzen erlaubt es, frei stehende Siliciumbalken und -brücken herzustellen, da die geschützten, oberflächennahen Bereiche von der Ätzlösung unterätzt werden.

 

Silicium-Oberflächenverfahren

 

Während das Silicium beim Ätzen selbst das Strukturmaterial für die entstehenden Mikrobauteile ist, wird der Silicium-wafer bei den Oberflächenverfahren im Wesentlichen als Substrat zum Aufwachsen dünner Schichten benötigt. Dünne Schichten lassen sich mittels ganz unterschiedlicher Verfahren herstellen. Die wichtigsten sind solche, bei denen das Schichtmaterial aus einem Gas abgeschieden wird.

 

Bei der »physikalischen Gasphasenabscheidung« (Physical Vapour Deposition, PVD) werden gleichmäßige dünne Schichten eines Materials im einfachsten Fall dadurch erzeugt, dass man dieses bis zum Verdampfen erhitzt und das zu beschichtende, kühlere Substrat in die Nähe der Dampfquelle bringt. Auf dem Substrat schlägt sich dann eine dünne Schicht des Materials nieder. Je nach Auslegung der Apparatur können bei diesem einfachen Verfahren des »Aufdampfens« sehr große Flächen beschichtet werden.

 

Bei der Kathodenzerstäubung (Sputtern), einem anderen PVD-Verfahren, werden die zu beschichtenden Substrate auf einer Anode angeordnet, die zusammen mit der Kathode in einen Prozessreaktor gebracht wird. Die Kathode besteht dabei aus dem Material, das als dünne Schicht auf den Substraten abgeschieden werden soll. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung wird die Atmosphäre im Reaktor (zum Beispiel Argon) zu einem geringen Teil ionisiert, und die entstandenen Ionen werden durch das Spannungsgefälle zwischen beiden Elektroden zur Kathode hin beschleunigt, die hier also als Ziel (englisch »Target«) dient. Treffen sie dort auf, so schlagen sie kontinuierlich Atome des Targetmaterials heraus, welche dann auf die nicht weit entfernt sitzenden Substrate treffen und sich dort niederschlagen. Je nach Zusammensetzung des zu ionisierenden Gases wird dieses mit in die entstehende Schicht eingebaut oder dient nur als Energieüberträger.

 

Bei den Verfahren, die man zur »Chemischen Gasphasenabscheidung« (Chemical Vapour Deposition, CVD) rechnet, kommt es an der Substratoberfläche zu einer chemischen Reaktion des Prozessgases, dem man das Substrat aussetzt. Diese Reaktion kann zum Beispiel durch eine erhöhte Temperatur (einige hundert Grad Celsius) und eine gewisse katalytische Eigenschaft des Substrates selbst ausgelöst werden. Da dies in der Regel in einem Prozessgas geringen Drucks stattfindet, spricht man von LPCVD (Low Pressure CVD). Oft müssen solche Beschichtungen aber auch bei relativ niedrigen Temperaturen durchgeführt werden. Dann wird das Prozessgas durch eine Plasmaentladung teilweise ionisiert, wodurch sich auch reaktive Molekülbruchstücke bilden, die dann mit der Substratoberfläche reagieren können. In diesem Fall spricht man von »Plasmaunterstützter CVD« (Plasma Enhanced CVD, PECVD).

 

 Herstellung von gläsernen Mikrostrukturen

 

Glas genießt als Werkstoff einen hervorragenden Ruf. Es ist mechanisch auch bei hohen Temperaturen sehr beständig, wird von kaum einer Flüssigkeit oder einem Gas angegriffen, besitzt einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und eignet sich aufgrund seiner Transparenz auch für optische Zwecke. Daher gibt es für Mikrostrukturen aus Glas reichhaltige Anwendungsmöglichkeiten. Doch sind die herkömmlichen Bearbeitungsverfahren des Schleifens und Polierens im Mikrobereich nur schwer anwendbar. Könnte man Methoden der Halbleiterfertigung nicht auch auf Glas übertragen?

 

Lichtempfindliches Glas

 

Auch Glas kann als lichtempfindliches Material hergestellt werden. So gibt es Gläser, die bei UV-Bestrahlung dunkler werden, sichtbares Licht also zunehmend absorbieren. Da bei Abwesenheit des UV-Lichts das Glas wieder transparent wird, nutzt man diesen Effekt für Brillen, die sich im Freien bei Sonnenschein in Sonnenbrillen verwandeln. Man nennt solche Gläser mit reversibler Reaktion auch photochrome Gläser — »photochrom« bedeutet »sich durch Licht verfärbend«, der allgemeinere Begriff »photosensitiv« dagegen »lichtempfindlich«.

 

Irreversibel reagieren dagegen die photosensitiven oder photostrukturierbaren Gläser. Sie enthalten in ihrer Grundrezeptur aus Quarz, Alkali- und Erdalkalioxiden noch Silbernitrat und Cer-Atome. Bei UV-Bestrahlung gibt das Cer Elektronen ab, jedes Cer-Atom wird also zum Cer-Kation oxidiert. Die Elektronen werden gleich in der Nachbarschaft der Cer-Ionen an bestimmten Stellen der Glasmasse, Elektronenfallen, festgehalten. So entsteht ein latentes Bild im Glaskörper. Nur durch eine Wärmebehandlung, das Tempern, bringt man die gefangenen Elektronen dazu, weiter durch das Material zu diffundieren. Treffen sie auf ein Silberion, so werden sie von diesem eingefangen und das Silberion zum Silberatom reduziert. Silberatome lagern sich bei diesem Prozess zu größeren Konglomeraten zusammen, welche für die Glasbestandteile in der Umgebung als Kristallisationskeime dienen. Glas ist normalerweise ein auf atomarer Ebene ungeordnetes, amorphes Material (»amorph« leitet sich von griechisch amórphos, gestaltlos, her, hier bedeutet es so viel wie »ohne kristalline Ordnung«). Es wandelt sich jedoch in der Nachbarschaft dieser Keime in einen geordneten, kristallinen Zustand um. Natürlich wächst an den Keimen kein Einkristall, sondern eine Vielzahl kleiner Kristallite auf, das entstehende Material ist keramikartig. Die Kristallite, die dabei entstehen, sind groß genug, um Licht streuen zu können. Das Glas wird an den kristallisierten Stellen milchig bis opak. Da die kristallisierten Bereiche durch Flusssäure viel stärker angegriffen werden als das amorphe Glas-Grundmaterial, kann man das entstandene Keramikmaterial chemisch entfernen.

 

Auf diese Weise können Wafer aus photosensitivem Glas mit gewöhnlichen Chrommasken UV-belichtet, in einem Ofen getempert und in einem nachfolgenden Flusssäure-Ätzbad entwickelt werden. Tempern (von lateinisch temperare: »in die richtige Mischung bringen«), ist dabei eine kontrollierte Wärmebehandlung von Metallen, Gläsern oder Kunststoffen zur Veränderung der Werkstoffeigenschaften. Anwendungen solcher Strukturen finden sich beispielsweise bei Elektrodenträgern in Kopfhörern, Düsenplatten in Tintenstrahldruckern oder Geräten zur medizinischen Diagnose.

 

Linsen auf der Basis von photostrukturierbarem Glas

 

Die geätzten Flächen der Glasstrukturen, die man mit dem geschilderten Prozess erhält, sind relativ rau und können nicht zu (mikro-)optischen Bauteilen wie Linsen verarbeitet werden. Man kann aber dennoch mit diesem Verfahren Linsen erzeugen — und zwar indem man den Prozess nicht zu Ende führt! Belichtet man nämlich photosensitives Glas durch eine Maske, die die zu erzeugenden Linsenflächen als Absorber enthält, so werden im nachfolgenden Temperprozess nur die Linsenzwischenräume keramisiert. Da das keramische Material sich durch den Kristallisationsprozess dichter zusammenlagert, kommt es in diesen Bereichen zu einer Volumenkontraktion. Das unbestrahlte Material wird von dem umgebenden bestrahlten Material gewissermaßen zusammengedrückt und versucht auszuweichen. Das kann es nur nach oben und unten, also vertikal zur Waferebene. Dadurch wölbt es sich aus den Waferflächen hinaus und es entsteht eine beidseitig nach außen gewölbte Linse. Solcherart hergestellte Linsenarrays finden Verwendung in Faxgeräten, Mikroskopen und in Autofokussystemen.

 

Dr. Hans-Dieter Bauer

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Photonik und Mikrotechnik: Von der Videokamera bis zum Flachbildschirm

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

Miniaturisierung: Von der Elektronenröhre zum Mikrochip

 

Literatur:

 

Beyer, Eckhard / Wissenbach, Konrad: Oberflächenbehandlung mit Laserstrahlung. Berlin u. a. 1998.

 Büttgenbach, Stephanus: Mikromechanik. Einführung in Technologie und Anwendungen. Stuttgart ²1994.

 Franz, Gerhard: Oberflächentechnologie mit Niederdruckplasmen. Beschichten und Strukturieren in der Mikrotechnik. Berlin u. a. ²1994.

 

Grundlagen der Mikrosystemtechnik, herausgegeben von Gerald Gerlach und Wolfram Dötzel. München u. a. 1997.

 Guggolz, Ernst: Gepulste Nd: YAG-Laser in der Feinwerktechnik. Materialbearbeitung mit Licht. Landsberg am Lech 1998.

 Isermann, Rolf: Mechatronische Systeme. Grundlagen. Berlin u. a. 1999.

 Köhler, Michael: Ätzverfahren für die Mikrotechnik. Weinheim u. a. 1998.

 Menz, Wolfgang / Mohr, Jürgen: Mikrosystemtechnik für Ingenieure. Weinheim u. a. ²1997.

 

Mikrosystemtechnik, herausgegeben vom DIN, Deutsches Institut für Normung e. V. Berlin u. a. 1997.

 Pritzlaff, Dietmar / Lautner, Volker: CVD-Beschichtungstechnik. Saulgau 1997.

 Roddeck, Werner: Einführung in die Mechatronik. Stuttgart 1997.

 Schmidt, Kristina: Spezielle Verfahren der Mikrostrukturierung von Glas. Aachen 1994.