Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6901

Mikrostrukturierung präkeramischer Polymere mit Hilfe der UV- und Röntgentiefenlithographie

M. Schulz

Zusammenfassung
Aufgrund ihrer herausragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften gewinnt die Herstellung von Mikrokomponenten aus keramischen Materialien zunehmend an Bedeutung. Verschiedene Formgebungsverfahren wie das Hoch- und Niederdruck-Mikrospritzgießen keramischer Feedstocks sind etabliert. Lithographische Verfahren bilden die Grundlage, um präzise mikrostrukturierte Oberflächen aus Kunststoff und Metall herzustellen.

Silizium-organische Verbindungen, die in der Polymerkette die Elemente Silizium, Stickstoff und Kohlenstoff enthalten, können abhängig von der Pyrolyseatmosphäre als Vorstufe für Si3N4, SiC oder Si-C-N Keramiken dienen.

Die vorliegende Dissertation stellt die direkte Herstellung von Mikrostrukturen durch Verwendung keramischer Vorläuferpolymere in Verbindung mit der UV-und Röntgentiefenlithographie vor. Die schnelle Prototypenfertigung von hochtemperaturstabilen (bis ca. 400 °C) und chemisch resistenten, transparenten mikrostrukturierten Kunststoffkomponenten wird hierdurch möglich. Durch die Pyrolyse dieser Bauteile entstehen amorphe Si-C-N oder Si3N4-Keramiken.

Die Eignung verschiedener erhältlicher präkeramischer Polymere auf Polysilazanbasis für die Strukturierung mit UV- und Synchrotronstrahlung wurde erforscht. Resistmaterialien wurden, teilweise durch Zugabe fotoaktiver Komponenten, entwickelt. Der Einsatz dieser Materialien in lithographischen Verfahren ermöglichte die Herstellung von Mikrostrukturen mit strukturellen Details kleiner 10 µm und Aspektverhältnissen bis zu zwanzig. Das Pyrolyseverhalten der vernetzten Resistmaterialien wurde untersucht. Durch Einbringen keramischer Füller konnte eine Verringerung des Sinterschrumpfes erreicht werden.

Microstructuring of preceramic polymers using UV- and deep X-ray lithography

Abstract
The fabrication of micro components made from ceramic materials is becoming more and more important because of their outstanding chemical stability. Different replication methods like low or high pressure ceramic injection molding of ceramic feedstocks have been established. Various lithographic methods are being widely used for the direct fabrication of very precise plastic or metal microstructured surfaces.

Silicon organic compounds containing the elements silicon, nitrogen and carbon in the polymer backbone, can serve as precursors for Si3N4, SiC or Si-C-N ceramics depending on the pyrolysis atmosphere.

This dissertation presents the direct manufacturing of microstructures by using ceramic precursors in combination with the UV- and deep X-ray lithography. This allows for a rapid fabrication of high temperature stable (400 °C) and chemical resistant transparent microstructured plastic components. Pyrolysis of these parts yields amorphous Si-C-N or Si3N4 ceramics.

The applicability of different preceramic polymers based on polysilazane for direct structuring with UV- and synchrotron radiation was investigated. Resist materials, partially doped with photoactive compounds have been developed. The application of those materials in lithographic processes allows for the fabrication of microstructures with aspect ratio > 20 and structural details < 10 µm. The pyrolysis behavior of the crosslinked resist materials has been researched. By inserting ceramic fillers a reduction of the sintering shrinkage was possible.

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