Megaschallunterstützter Stofftransport in LIGA-Mikrostrukturen

Die Herstellung von hohen Strukturen mit hohem Aspektverhältnis ist eine aktuelle Aufgabe der LIGA-Technologie. Um die Prozessdauer der nasschemischen Prozessschritte wie Entwicklung und Galvanoformung zu minimieren und die hohe Qualität der Mikrostrukturen zu gewährleisten, sollten die Stofftransportbedingungen untersucht und optimiert werden.
Ziel dieser Arbeit ist, den Wirkmechanismus des Megaschalls auf den Stofftransport vor allem in LIGA-Mikrostrukturen mit hohem Aspektverhältnis experimentell aufzuklären.
Als Untersuchungsmethode wurde die elektrochemische Grenzstrommethode ausgewählt. ... mehrDiese Methode zeichnet sich durch die Möglichkeit einer direkten Messung der Stofftransportrate in situ aus. Für die praktische Umsetzung dieser Methode unter Megaschallbedingungen wurde eine neue Megaschallzelle konzipiert und aufgebaut. Für die Untersuchung der Stofftransportprozesse in Mikrostrukturen dienten rotierende zurückgesetzte Mikrostrukturelektroden (RMEs). In dieser Arbeit wurden erstmals LIGA-Mikrostrukturen in die rotierenden Mikrostrukturelektroden eingesetzt. Für die Herstellung dieser Arbeitselektroden wurde eine LIGA-basierte Technik ausgearbeitet.
Im experimentellen Teil dieser Arbeit wurden die möglichen Einflussparameter wie die Position der Probe im Schallfeld, die elektrische Leistung der Schallquelle und die Geometrie der Mikrostrukturen, variiert und der Grenzstrom als Maß für die Stofftransportrate aufgenommen. Als Ergebnis der durchgeführten Experimente wurden folgende Zusammenhänge festgestellt:
• Die Positionierung der Probe bezüglich der Schallquelle hat einen wesentlichen Einfluss auf die Stofftransportrate. Es besteht eine Korrelation zwischen den räumlichen Schalldruck- und Grenzstromverteilungen.
• Die Stofftransportrate hängt von der elektrischen Leistung der Megaschallquelle ab. Die Form dieser Abhängigkeit ist für die unterschiedlichen Strukturgeometrien unterschiedlich.
• Die Beschallung ruft eine lokale Erwärmung innerhalb der Mikrostrukturen hervor.
• Der Grad der gesamten Verbesserung des Stofftransportes hängt unter anderem von der Geometrie der Mikrostrukturen und deren Zusammensetzung ab.
Diese Ergebnisse werden im Folgenden mit Ergebnissen aus der Literatur verglichen und daraus ein Modell zum Wirkmechanismus des Megaschalls abgeleitet.
Die Stofftransportrate bei megaschallunterstützten Prozessen in Mikrostrukturen wird durch zwei Effekte beeinflusst, durch die lokale Erwärmung und durch die Ausbildung der akustischen Mikroströmungen innerhalb der Strukturen. Der thermische Effekt trägt für alle Strukturtypen bei, während der Beitrag des hydrodynamischen Effektes stark von der Strukturgeometrie abhängt. Durch den thermischen Effekt ist die Vergrößerung der Stofftransportrate um bis zu 30 % möglich. Die Größe dieses Beitrages hängt von der Resisthöhe ab. Der hydrodynamische Effekt kann eine Zunahme der Stofftransportrate um ein Mehrfaches hervorrufen.

Megasonic Supported Mass Transport in LIGA-Microstructures
The manufacturing of high microstructures with high aspect ratios is a relevant task of LIGA-technology. In order to minimise processing time of wet chemical process steps such as developing and electroforming, and to provide the highest microstructure quality, the mass transfer conditions should be investigated and optimised.
The aim of this work is to experimentally clarify the action mechanism of megasonics, in particular, its effect on mass transfer in LIGA-microstructures.
The electrochemical limiting current method is chosen as an investigation method. ... mehrThis method is characterised by the possibility of direct mass transfer rate measuring in-situ. For the practical realisation of this method a new megasonic cell was designed and constructed. Rotating recessed microstructure electrodes (RME) were used for mass transfer investigation. A new rotating microstructure electrode was designed using LIGAmicrostructures. A LIGA-based manufacturing technique for fabrication of RMEs was developed.
In the experimental part of this work, possible influential parameters such as probe position in megasonic field, electrical power applied to megasonic transducer and microstructure geometry were varied and the limiting current as a measure of mass transfer rate was acquired. As a result of experiments carried out the following effects were observed:
• Probe positioning relative to megasonic transducer has a substantial influence on mass transfer rate. There is a correlation between the spatial distribution of the sound pressure and that of the limiting current.
• Mass transfer rate depends on electrical power applied to megasonic transducer. The form of this dependency is different for various structure geometries.
• Exposure to megasonic causes the local heating of microstructures.
• Degree of mass transfer improvement depends among other things on microstructure geometry and on their composition (material).
These results were compared with literature data and from this a model for action mechanism of megasonic was derived.
The mass transport rate of megasonic supported processes in microstructures is influenced by two effects, by local heating and by acoustic micro streaming formation within the microstructures. The thermal effect contributes for all structures, whereas the hydrodynamic effect is heavily dependent on structure geometry. The mass transfer rate enhancement due to thermal effects can reach 30 %. The amount of this contribution depends on resist thickness. The hydrodynamic effect can produce a multiple increase of mass transfer rate.