Prozesstechnologie zur Herstellung mikrotechnischer Komponenten im Verbundwerkstoffsystem Silizium/SU-8

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Entwicklung und Umsetzung fertigungstechnischer Prozesse und Herstellungsabläufe zur Erstellung mikrotechnischer Komponenten im Verbundwerkstoffsystem der Materialkombination Silizium und dem Fotopolymer SU-8 vorgestellt. Die Entwicklungsabläufe waren maßgeblich von den besonderen Anforderungen der Mikrokomponenten sowie den Bedingungen der mikrotechnischen Fertigung bestimmt. Unter diesen Voraussetzungen wurden an Hand verschiedener Anwendungsbeispiele die zentralen Problemstellungen der Umsetzung eines mikrotechnischen Verbundwerkstoff-prozesses erarbeitet und entsprechende Lösungswege aufgezeigt, auf deren Grundlage das Potential dieses Verbundwerkstoffes als neuartiges Materialsystem für den Einsatz in der Mikrotechnik ersichtlich wird. Die beiden Materialschichten Silizium und SU-8, die in dem hier vorgestellten Verbundwerkstoff zum Einsatz kommen, sind als eigenständige Materialsysteme der Mikromechanik bekannt und werden in zahlreichen Anwendungen verwendet. Die Überlegungen im ersten Kapitel dieser Arbeit beginnen daher mit einer kurzen Zusammenfassung der Eigenschaften dieser Werkstoffe im Einmaterialsystem. Dabei wird zunächst das mechanische Werkstoffverhalten erläutert, dann folgt eine Gliederung der jeweiligen Fertigungsprozesse in grundlegende Teilabschnitte. Anschließend wird die Anwendungsbandbreite mikrotechnischer Komponenten dieser Materialsysteme an Hand einiger Beispielanwendungen vorgestellt. Diese Untersuchungen führen zu Schwächen der jeweiligen Einmaterialsysteme und zeigen die Grenzen ihrer Anwendungsbereiche auf. Im nächsten Abschnitt wird dann mit der Betrachtung zunächst eines allgemeinen Verbundwerkstoffsystems analysiert, inwieweit sich erfolgversprechend die Einschränkungen eines Einmaterialsystems durch Verwendung von Verbundmaterialien überwinden lassen. Diese Überlegungen werden dann mit der Vorstellung des Verbundwerkstoffsystems Silizium/SU-8 auf ein konkretes Materialverhalten überführt. Als Schwerpunkt dieser Arbeit steht dann die Entwicklung einer geeigneten Prozesstechnologie zur Verarbeitung dieses Verbundwerkstoffes im Blickpunkt. Zunächst wird dazu die Übertragung der prozesstechnischen Grundlagen aus der Fertigung in den Einmaterialsystemen in einen Verbundwerkstoffprozess untersucht. Anschließend werden detaillierter die Voraussetzungen und Bedingungen eines Prozessablaufes unter den Anforderungen des Verbundmaterials erarbeitet. Dabei wird die Vielzahl einzelner Prozessschritte zu in sich abgeschlossenen Teilabläufen zusammengefasst, aus denen sich nach den Anforderungen einer Anwendung die unterschiedlichsten Fertigungsabläufe zusammensetzen lassen. In diesem Abschnitt werden in Abhängigkeit bestimmter kritischer Forderungen auch alternative Prozessabläufe vorgestellt, mit denen sich der Einsatz des Verbundwerkstoffes auf noch mehr Anwendungsbereiche erweitern lässt. Die Entwicklung konkreter, im Detail ausgearbeiteter Prozesspläne für zwei Anwendungsbeispiele mit unterschiedlichen Anforderungen schließen den Abschnitt der Prozessentwicklung ab. Die Umsetzung dieser Prozessabläufe in einem mikrotechnischen Fertigungsprozess mit der Herstellung realer Mikrokomponenten zeigt die Tauglichkeit der Prozesse unter den Bedingungen eines Forschungslabors. Zur Gestaltung dieser beiden Anwendungsbeispiele wird zunächst kurz das mechanische System, das den jeweiligen Beispielen zu Grunde liegt, untersucht. Dazu werden für die Hauptfunktionselemente der hier beschriebenen Komponenten Verfahren und Methoden zur funktionellen Auslegung mit analytischen Mitteln oder durch Simulationsansätze vorgestellt. Im Zuge der mikrotechnischen Fertigung werden für diese Anwendungsbeispiele nicht nur Komponenten im Verbundmaterialsystem gefertigt, sondern auch vergleichbare Proben im Einmaterialsystem erstellt. Im Vergleich des Verhaltens dieser Mikrobauteile unterschiedlicher Materialsysteme werden dann die Vorteile des Verbundwerkstoffes für die Erfüllung bestimmter geforderter Funktionen deutlich. Abschließend wird der Einsatz des Verbundmaterials in einem Mikrosystem mit der funktionellen Verbindung zweier im Verbundwerkstoffprozess erstellen Komponenten dargestellt.