DE10055872A1 - Verfahren zur Herstellung einer porösen Struktur für ein Sieb oder einen Filter und poröse Struktur für ein Sieb oder einen Filter - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer porösen Struktur für ein Sieb oder einen Filter und poröse Struktur für ein Sieb oder einen FilterInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Struktur und eine poröse Struktur für ein Sieb oder einen Filter vorgeschlagen, wobei eine poröse Siliziumschicht (2) vorgesehen ist. Die poröse Siliziumschicht (2) wird durch Anodisieren eines Siliziumsubstrats (1) gebildet.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren bzw. einer
Struktur nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
Es sind bereits poröse Kunststoffmembranen bekannt, die für
Filterstrukturen bzw. Siebe eingesetzt werden. Diese
Kunststoffmembranen weisen nur eine geringe
Temperaturbeständigkeit auf und sind nicht für jedes Medium
geeignet. Keramische Filter sind demgegenüber für hohe
Temperaturen geeignet und sehr beständig gegenüber den
meisten Medien. Keramische Filter sind jedoch relativ teuer
in der Herstellung.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die poröse Struktur mit
den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche haben
demgegenüber den Vorteil, dass sehr kostengünstig
mikroporöse Strukturen für Siebe oder Filter geschaffen
werden, die aus Silizium bestehen. Aufgrund des Materials
sind diese Strukturen für Temperaturen bis 1000°C
verwendbar. Die Dicke kann flexibel gewählt werden. Der
Herstellungsprozeß ist besonders günstig. Weiterhin ist
Silizium gegen viele Materialien resistent.
Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die
Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Besonders einfach
erfolgt das Anodisieren durch Eintauchen in Flußsäure und
Anlegen einer Spannung. Durch Beeinflussung der
Flußsäurekonzentration, der Stromdichte und der Dotierung
der Siliziumschicht können die Porengröße und die Häufigkeit
der Poren beeinflusst werden. Besonders einfach kann die
poröse Siliziumschicht durch Änderung der
Anodisierungsbedingungen unterätzt werden, so dass sich
diese Schichten leicht von dem darunterliegenden Substrat
ablösen lassen. Dieser Prozeß kann mehrfach nacheinander
ausgelöst werden, so dass sich mehrere übereinander
angeordnete poröse Siliziumschichten bilden. Durch
Maskierung einzelner Bereiche kann dort die Anodisierung
verhindert werden, so dass Bereiche entstehen, mit denen die
porösen Siliziumschichten noch mit dem Substrat verbunden
sind. Diese Verbindungsbereiche können zweckmäßigerweise im
Randbereich aber auch im Mittelbereich eines
Siliziumsubstrats angeordnet werden. Sofern eine Ablösung
der porösen Schicht vom Substrat gewünscht ist, so kann dies
auch mechanisch erfolgen. Durch die Verwendung von
Deckelschichten können Bereiche geschaffen werden, in denen
eine seitliche Zuführung oder Abfluß eines Mediums erreicht
wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Zeichnungen
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen die Fig. 1 bis 3 ein erstes
Verfahren zur Herstellung einer porösen Struktur, Fig. 4
und 5 ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer porösen
Struktur, Fig. 6 und Fig. 7 ein weiteres
Herstellungsverfahren und die Fig. 8 bis 10 jeweils
weitere Ausführungsformen der porösen Struktur.
In der Fig. 1 wird ein Querschnitt durch ein
Siliziumsubstrat 1 gezeigt, auf dessen Oberseite eine poröse
Siliziumschicht 2 erzeugt wurde. Diese poröse
Siliziumschicht wurde durch Anodisieren des
Siliziumsubstrats 1 erzeugt, d. h. bei der Schicht 2 handelt
es sich um entsprechend umgewandeltes, d. h. anodisiertes
einkristallines Silizium des Siliziumsubstrats 1. Für die
Anodisierung wird das Siliziumsubstrat 1 in eine wässrige
Flußsäurelösung getaucht, und es wird eine elektrische
Spannung zwischen dem Substrat 1 und einer Elektrode
angelegt oder eine Spannung wird zwischen zwei Elektroden
angelegt, zwischen denen sich das Substrat befindet.
Bei richtiger Wahl der Prozeßbedingungen, d. h. der
Konzentration der Flußsäurelösung, der Stromdichte und des
Materials des Siliziums bildet sich bei diesem
Anodisierungsprozeß eine mikroporöse Siliziumschicht auf der
Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 aus, die mit
fortlaufender Zeitdauer des Anodisierungsprozesses in die
Tiefe des Siliziumsubstrats 1 hereinwächst. Durch die Länge
des Anodisierungsprozesses kann somit die Dicke der porösen
Siliziumschicht 2 kontrolliert werden. Dabei kann in
Abhängigkeit von den Anodisierungsbedingungen die Dichte der
Poren und auch die Größe der Poren kontrolliert werden. Es
lassen sich so Poren mit Größen zwischen 2 nm bis ca. 1 µm
durch Umwandlung des einkristallinen Siliziumsubstrats 1
erzeugen.
Weiterhin gibt es einen Bereich der
Anodisierungsbedingungen, bei denen das Silizium vollständig
aufgelöst wird (Elektropolitur). Der Prozeß kann auch so
geführt werden, dass sich zunächst eine poröse Schicht mit
definierter Porendichte und -größe herausbildet und dann
nach einer Änderung der Anodisierungsbedingungen unterhalb
der bereits gebildeten Schicht das Siliziumsubstrat 1
aufgelöst wird. Das Ergebnis einer solchen Prozeßfolge wird
in der Fig. 2 gezeigt.
In der Fig. 2 wird ein Querschnitt durch ein
Siliziumsubstrat 1 und eine durch Umwandlung des
Siliziumsubstrats 1 mittels Anodisierung poröse
Siliziumschicht 2 gezeigt. Zwischen dem Siliziumsubstrat 1
und der porösen Siliziumschicht 2 ist ein Hohlraum 3
angeordnet, der dadurch gebildet wurde, dass nach der
Erzeugung der porösen Siliziumschicht 2 durch Veränderung
der Anodisierungsbedingungen das Siliziumsubstrat 3
unterhalb der Schicht 2 aufgelöst wurde.
Dieser Wechsel der Anodisierungsbedingungen kann auch
mehrfach hintereinander erfolgen. Das Ergebnis wird in der
Fig. 3 in einem Querschnitt durch ein Siliziumsubstrat 1
gezeigt, nach einem dreimaligen Wechsel der
Anodisierungsbedingungen von poröser Anodisierung zu
Elektropolitur. Wie im Querschnitt der Fig. 3 zu erkennen
ist, sind so drei poröse Siliziumschichten 2 gebildet, die
jeweils untereinander bzw. zum Substrat hin einen Hohlraum 3
aufweisen.
Bei dem in der Fig. 3 gezeigten Verfahren ist es nicht
erforderlich, dass jede der porösen Siliziumschichten 2 die
gleiche Porösität aufweist. Es ist beispielsweise möglich,
dass die oberste Schicht 2 relativ große Poren und die
unterste Schicht sehr feine Poren aufweist. Dies kann durch
entsprechende Wahl der Anodisierungsbedingungen realisiert
werden.
Wenn die Schichten 2 jeweils in der Größenordnung von
einigen 10 µm sind, so verhält sich das Material nicht
spröde, sondern ist ausgesprochen flexibel und kann also
ähnlich wie eine dünne Folie gehandhabt werden. Die maximale
seitliche Ausdehnung dieser porösen Siliziumfolien hängt
einzig und allein von der Größe der Siliziumsubstrate ab.
Zur Zeit sind Substrate bis zu einem Durchmesser von 30 cm
erhältlich.
Sofern nur die Herstellung von mikroporösen
Siliziumschichten 2 gewünscht ist, können ausgehend von
einem Siliziumsubstrat 1 sukzessive nacheinander mehrere
Siliziumschichten 2 in der Dicke von einigen µm oder einigen
10 µm erzeugt werden. Um für die Erzeugung jeder neuen
porösen Siliziumschicht 2 jeweils eine ideale
Ausgangsoberfläche zu schaffen, kann vorgesehen werden, nach
dem Ablösen der porösen Siliziumschicht 2 einen chemisch
mechanischen Politurprozeß vorzusehen, durch den wieder eine
hochwertige glatte Oberfläche auf dem Siliziumsubstrat 1
hergestellt wird.
Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Prozesse sind geeignet,
um freie, d. h. vollständig vom Substrat abgelöste, poröse
Siliziumschichten 2 zu erzeugen. In den Fig. 4 und 5 wird
ein weiteres Verfahren gezeigt, welches zu porösen
Siliziumschichten 2 führt, die immer noch mit dem Substrat
verbunden sind.
In der Fig. 4 wird ein Querschnitt durch ein
Siliziumsubstrat 1 gezeigt, bei dem durch einen
Anodisierungsschritt, wie er bereits zu Fig. 1 erläutert
wurde, auf der Oberfläche eine poröse Siliziumschicht 2
gebildet wird. Im Unterschied zu Fig. 1 sind jedoch
oberflächliche Verbindungsbereiche 4 des Substrats mit einer
Maskierschicht 5 bedeckt. Bei dieser Maskierschicht 5
handelt es sich um ein Material, welches nicht anodisiert
wird, beispielsweise einen Fotolack, Metall oder
Siliziumnitrid. Unterhalb der Maskierungsschichten 5 wird
das Siliziumsubstrat 1 in den Verbindungsbereichen 4 nicht
anodisiert, so dass sich in diesen Bereichen auch keine
poröse Siliziumschicht 2 ausbildet. Da jedoch die poröse
Siliziumschicht 2 in lateraler Richtung immer noch mit den
Verbindungsbereichen 4 verbunden ist, wird die poröse
Siliziumschicht 2 auch nach einer Entfernung des
Siliziumsubstrats 1 unterhalb der porösen Schicht 2 von den
Verbindungsbereichen 4 gehalten. Dieser Zustand wird in der
Fig. 5 gezeigt. Ausgehend von der Fig. 4 erfolgt wieder
ein Anodisierungsschritt, bei dem das Siliziumsubstrat 1
gelöst wird, so dass sich unterhalb der Siliziumschicht 2
ein Hohlraum 3 bildet. Die Fig. 5 entspricht somit der
Fig. 2, mit dem Unterschied, dass die poröse
Siliziumschicht 2 noch mit den Verbindungsbereichen 4 des
Siliziumsubstrats 1 verbunden ist. Es wird so eine poröse
Siliziumschicht 2 geschaffen, die in einem gewissen Abstand,
der durch den Hohlraum 3 definiert wird über dem
Siliziumsubstrat 1 gehalten wird. Ausgehend von der Fig. 5
können dann unterschiedliche Weiterverarbeitungen erfolgen,
beispielsweise können weitere Öffnungen oder dergleichen in
das Substrat 1 eingebracht werden. Weiterhin sind die
porösen Siliziumschichten so leicht handhabbar und können
durch mechanische Mittel von dem Träger getrennt werden.
In den Fig. 6 und 7 wird ein Beispiel für eine derartige
Struktur gegeben, bei der eine poröse Siliziumschicht 2 von
Verbindungsbereichen 4 gehalten wird. In der Fig. 6 wird
eine Aufsicht auf ein Siliziumsubstrat 1 gezeigt, wobei
durch eine entsprechende Maskierung und einen
Anodisierungsprozeß in der Oberfläche des Siliziumsubstrats
1 ein ellipsenförmiger Bereich 21 und ein länglicher Bereich
22 einer porösen Siliziumschicht gebildet sind. In der Fig.
7 wird ein Querschnitt durch das Substrat 1 nach der Fig. 6
entlang der Linie VII-VII gezeigt. Wie zu erkennen ist, ist
unterhalb der porösen Siliziumschicht 21 und 22 ein Hohlraum
3 durch einen entsprechenden Anodisierungsprozeß geschaffen
worden. Die poröse Siliziumschicht 21 und 22 sind rundherum
durch einen Verbindungsbereich 4 gehalten. Wie in der
Aufsicht auf die Fig. 5 bzw. im Querschnitt der Fig. 6 zu
erkennen ist, ist die poröse Siliziumschicht in ihrem
länglichen Bereich 22 mit einem Deckel 23 nach oben hin
abgedeckt. Durch den Deckel 23 und den unter der porösen
Siliziumschicht 22 angeordneten Hohlraum 3 wird somit eine
seitliche Medienzuführung gebildet, durch die seitlich ein
Medium zugeführt oder abgeführt werden kann. Die Struktur
nach den Fig. 6 und 7 kann beispielsweise als
Filterstruktur verwendet werden, wobei der Medienzu- oder
-abfluß seitlich erfolgt. Der Deckel 23 kann alternativ
durch Aufbringen eines Plättchens oder durch Abscheiden
einer Schicht erzeugt werden. Das Aufbringen eines
Plättchens 23 kann beispielsweise durch Kleben, Löten oder
anodisches Bonden erfolgen. Alternativ können auch
Schichten, beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder
Phosphorsilikatschichten abgeschieden werden, durch die eine
Abdeckung 23 realisiert wird.
In den Fig. 8 bis 10 werden weitere Ausführungen der
erfindungsgemäßen Struktur gezeigt, wobei bei all diesen
Strukturen aus der vollen Dicke des Siliziumsubstrats 1 eine
Rahmenstruktur 31 geschaffen wird, die die poröse
Siliziumschicht 2 trägt. In der Fig. 8 wird ein Querschnitt
durch ein Siliziumsubstrat 1 gezeigt, bei der ein
Rahmenbereich 31 mit einer Maskierschicht 5 bedeckt war und
bei der der Anodisierungsprozeß solange durchgeführt wurde,
bis sich die poröse Siliziumschicht 2 von der Oberseite bis
zur Unterseite des Substrats 1 erstreckt. Durch die
Maskierung 5 wird so ein Rahmenbereich 31 geschaffen, der
die poröse Siliziumschicht 2 trägt. In der Fig. 9 wird eine
ähnliche Struktur wie in der Fig. 8 gezeigt mit dem
Unterschied, dass nachdem eine Siliziumschicht 2 erzeugt
wurde, das restliche darunterliegende Material des
Siliziumwafers 1 mit einem entsprechenden Ätzprozeß entfernt
wurde. Es wird so eine Rahmenstruktur 31 geschaffen, die an
ihrer Oberseite eine poröse Siliziumschicht 2 trägt, die in
ihrer Dicke geringer ist als das Siliziumsubstrat 1.
In der Fig. 10 wird ein weiteres Beispiel gezeigt, bei dem
ein Rahmen 31 in etwa in der Mitte eine poröse
Siliziumschicht 2 trägt, die in ihrer Dicke geringer ist als
das Siliziumsubstrat 1. Die Struktur nach der Fig. 10 kann
dadurch gebildet werden, dass zunächst in die Ober- und
Unterseite des Siliziumsubstrats Ausnehmungen eingeätzt
werden, wobei dies auch mit anderen Ätzprozessen erfolgen
kann als dem Anodisieren in Flußsäure. Beispielsweise können
alkalische Ätzprozesse verwendet werden, die zu anisotropen
Ätzungen von Siliziumwafern führen. Danach erfolgt dann die
Anodisierung der in der Mitte des ursprünglichen
Siliziumsubstrats 1 verbliebenen Schicht, um so die poröse
Siliziumschicht 2 zu bilden.
Claims (13)
1. Verfahren zur Herstellung einer porösen Struktur für ein
Sieb oder einen Filter, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Siliziumsubstrat (1) einer Anodisierung unterzogen wird, bei
der sich eine poröse Siliziumschicht (2) bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
für die Anodisierung das Siliziumsubstrat in eine wässerige
Flußsäurelösung getaucht wird und eine Spannung zwischen dem
Siliziumsubstrat und einer Elektrode oder zwischen zwei
Elektroden, zwischen denen sich das Siliziumsubstrat
befindet, angelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Porendichte und -größe durch die Konzentration der
Flußsäure, die Stromdichte und die Dotierung des
Siliziummaterials bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat anodisiert wird,
bis sich eine poröse Siliziumschicht (2) mit vorgegebener
Dicke gebildet hat und dass danach die
Anodisierungsbedingungen geändert werden, so dass unterhalb
der Schicht (2) das Siliziumsubstrat (1) geätzt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) vor der
Anodisierung mit einer strukturierten Maskierung (5)
versehen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Maskierung (5) in einem Randbereich des Substrats (1)
vorgesehen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Maskierung (5) in einem Mittelbereich des
Siliziumsubstrats (1) vorgesehen wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Siliziumschicht (2)
mechanisch vom Substrat (1) getrennt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
Bereiche der porösen Siliziumschicht (2) mit einer
Deckelschicht (23) versehen werden.
10. Poröse Struktur für ein Filter oder Sieb, dadurch
gekennzeichnet, dass die Struktur eine poröse
Siliziumschicht (2) aufweist.
11. Poröse Struktur nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die poröse Siliziumschicht (2) von
einem Rahmen aus Silizium (31) gehalten wird.
12. Poröse Struktur nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die poröse Siliziumschicht (2) mit
einem Siliziumsubstrat (1) verbunden ist, und dass zwischen
der porösen Siliziumschicht (2) und dem Substrat (1) ein
Hohlraum (3) angeordnet ist.
13. Poröse Struktur nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, dass Teile der porösen Siliziumschicht (2)
mit einem Deckel (23) bedeckt sind.
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