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(11) | EP 0 209 651 A2 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Verfahren zum Herstellen von Spinndüsenplatten |
| (57) Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Spinndüsenplatten mit trichterförmigen
Vorkanälen und sich hieran anschließenden Düsenkapillaren unter Anwendung tiefenlithographischer
und galvanischer Methoden. Durch die erfindungsgemäße Verwendung von mit trichterförmigen
Vorkanälen versehenen metallischen Platten als Bestrehlungsmaske wird ein versatzfreier,
fluchtender Übergang von den Vorkanälen zu den Düsenkapillaren erzielt, wobei als
strahlungsempfindliches Material sowohl ein Negstiv-Resist als auch ein Positiv-Resist
eingesetzt werden kann. |
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Spinndüsenplatten nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
[0002] Ein Verfahren dieser Art ist in der Patentanmeldung P 35 17 730.6 beschrieben und dargestellt.
[0003] Derartige Spinndüsenplatten werden für die Herstellung von Fasern benötigt, wobei der Ausgangsstoff aus organischem oder anorganischem Material in fließfähigem Zustand durch eine Vielzahl von Spinndüsenkanälen in den Platten hindurchgepreßt wird. Die Spinndüsenkanäle bestehen in den meisten Fällen aus Düsenkapillaren, durch die das Material als Faser austritt, und wesentlich weiteren Vorkanälen, denen das zu verspinnende Material zugeführt wird. Die Vorkanäle haben häufig die Form von Trichtern, die sich zu den Düsenkapillaren hin verjüngen, um schließlich in letztere überzugehen. Bei der getrennten Herstellung von Vorkanälen und Düsenkapillaren besteht die Gefahr, daß am Übergang in der Trennfuge ein unerwünschter Versatz auftritt.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art einen Weg aufzuzeigen, durch den ein kontinuierlicher Übergang von den Vorkanälen zu den Düsenkapillaren sichergestellt wird.
[0005] Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen von Anspruch 1 enthaltenen Maßnahmen gelöst. Durch die Verwendung der mit den trichterförmigen Vorkanälen versehenen metallischen Platte als Bestrahlungsmaske wird ein versatzfreier, fluchtender Übergang erzielt, wobei als strahlungsempfindliches Material sowohl ein Negativ-Resist als auch ein Positiv-Resist eingesetzt werden kann. In Anspruch 2 wird gezeigt, daß nach demselben Lösungsprinzip auch Düsenkapillaren in Form von rohrförmigen Ansätzen hergestellt werden können. Spinndüsenplatten mit rohrförmigen Düsenkapillaren werden besonders vorteilhaft als Bauteile für die Herstellung von Spinndüsenvorrichtungen für die Erzeugung von Hohl- oder Mehrkomponentenfasern eingesetzt. Solche Spinndüsenvorrichtungen bestehen im allgemeinen aus mehreren übereinander angeordneten Spinndüsenplatten. Da nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Düsenkapillaren sowohl in ihrem Einzelquerschnitt als auch in ihrer gegenseitigen Lage mit äußerster Präzision und Gleichmäßigkeit gefertigt werden können und die gegenseitige Justierung von mehreren relativ großen Spinndüsenplatten zum Zusammensetzen der Spinndüsenvorrichtungen kein größeres Problem darstellt, ist die Herstellung von Hohl- oder Mehrkomponentenfasern mit beliebigem Querschnitt und Aufbau möglich. Hierdurch lassen sich Fasern mit neuen und ungewöhnlichen Verwendungszwecken herstellen. Anspruch 3 zeigt, wie vorzugehen ist, wenn auch die metallische Platte mit den trichterförmigen Vorkanälen auf tiefenlithographisch-galvanischem Wege hergestellt werden soll.
[0006] Der mit der Erfindung erzielbare, kontinuierliche Übergang von den Vorkanälen zu den Düsenkapillaren ist nicht nur bei kreisförmigen Querschnitten, sondern auch bei profilierten, z.B. sternförmigen Querschnitten der Düsenkapillaren möglich.
[0007] Die einzelnen erfindungsgemäßen Verfahrensschritte werden im folgenden anhand der Figuren erläutert:
Die Figur 1 zeigt eine metallische Platte mit trichterförmigen Vorkanälen 144. Die Seite der Platte 141, an der die verjüngten Enden der Vorkanäle 144 münden, ist mit einer Schicht 142 aus einem strahlungsempfindlichen Negativ-Resistmaterial verbunden. Diese Schicht 142 wird partiell durch die Vorkanäle 144 hindurch mit Röntgenstrahlung 143 eines Elektronensynchrotrons bestrahlt, so daß schwer lösliche Bereiche 145 entstehen, deren Form derjenigen der Düsenkapillaren entspricht.
[0008] Danach werden die Vorkanäle 144 mit einem wieder entfernbaren Füllmaterial 152 gefüllt, das sich mit den Bereichen 145 verbindet (Fig. 2). Nach dem Entfernen der nicht bestrahlten Bereiche der Schicht 142 mit einem flüssigen Entwickler entstehen auf der Platte 141 säulenförmige Negativformen 151 der Düsenkapillaren. Nun wird auf der als Galvanikelektrode dienenden metallischen Platte 141 eine die Negativformen 151 einschließende Galvanikschicht 162 erzeugt (Fig. 3). Das Füllmaterial 152 und die Negativformen 151 der Düsenkapillaren werden nach dem Einebnen der Galvanikschicht 162 herausgelöst, so daß eine aus den Teilen 141 und 162 bestehende Spinndüsenplatte 163 entsteht, bei der sich die Düsenkapillaren 161 nahtlos an die trichterförmigen Vorkanäle 144 anschließen (Figur 4).
[0009] Im Falle der Verwendung eines Positiv-Resistmaterials als strahlungsempfindliche Schicht 142a werden zunächst die bestrahlten Bereiche 142b mit einem flüssigen Entwickler entfernt (Figur 2a) und sodann die entfernten Bereiche und die Vorkanäle 144 mit einem wieder entfernbaren Füllmaterial 152a ausgefüllt, das schwerer löslich ist als das Positiv-Resistmaterial der Schicht 142a (Figur 2b). Darauf werden die nicht bestrahlten Bereiche der Schicht 142a entfernt, so daß auch in diesem Falle säulenförmige Negativformen 151a der Düsenkapillaren auf der metallischen Platte 141 entsprechend Figur 2c entstehen. Die weiteren Schritte (Erzeugen und Einebnen der Galvanikschicht 162, Fig. 3a, Entfernen des Füllmaterials 152a) entsprechen den vorbeschriebenen, so daß auch in diesem Falle eine Spinndüsenplatte 163 erzeugt wird, wie sie schematisch in Figur 4 gezeigt ist.
[0010] Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch anwenden für die Herstellung von Spinndüsenplatten mit rohrförmigen Düsenkapillaren. Auch in diesem Falle wird die metallische Platte 141. mit den Vorkanälen 144 als Bestrahlungsmaske benutzt (Figur 5), worauf die Schicht 142 nochmals partiell von der gegenüberliegenden Seite aus bestrahlt wird. Bei Verwendung eines Negativ-Resistmaterials wird für die Bestrahlung mit der energiereichen Strahlung 181 (Fig. 6) eine Maske benutzt, deren Absorberstrukturen 182 den Außendurchmessern der rohrförmigen Ansätze der Düsenkapillaren entsprechen, so daß die bestrahlten Bereiche 174 und 175 nicht bestrahlte rohrförmige Bereiche 183 der Schicht 142 umschließen. Nach dem Auffüllen der Vorkanäle 144 mit einem wieder entfernbaren Füllmaterial 191 werden die nichtbestrahlten rohrförmigen Bereiche 183 mit einem flüssigen Entwickler herausgelöst, so daß rohrförmige Hohlräume 192 entstehen (Figur 7). In diesen Hohlräumen 192 wird unter Verwendung der Platte 141 als Elektrode eine Galvanikstruktur in der Form von rohrförmigen, metallischen Ansätzen 202 erzeugt (Figur 8). Sodann werden nach dem Einebnen der Galvanikstruktur das restliche Resistmaterial der Schicht 142 und das Füllmaterial 191 entfernt, so daß eine aus der Platte 141 mit den trichterförmigen Vorkanälen 144 und den rohrförmigen Düsenkapillaren 202 bestehende Spinndüsenplatte 211 entsteht (Figur 9).
[0011] Im Falle der Verwendung eines Positiv-Resistmaterials werden zunächst die bestrahlten, dem Innenraum der Düsenkapillaren entsprechenden Bereiche mit einem flüssigen Entwickler entfernt und durch ein strahlungsunempfindliches Füllmaterial 191a ersetzt, das auch die Vorkanäle 144 ausfüllt (Figur 6a). Sodann erfolgt eine nochmalige partielle Bestrahlung der Schicht 142a mit energiereicher Strahlung 181 über eine Maske, deren Absorberstrukturen 182a Durchbrüche 182b aufweisen, die den Außendurchmessern der rohrförmigen Ansätze für die Düsenkapillaren entsprechen.
[0012] Auf diese Weise entstehen zwischen dem Füllmaterial 191a und dem nicht bestrahlten Resistmaterial der Schicht 142a rohrförmige, bestrahlte Bereiche 183a, die mit einem flüssigen Entwickler entfernt werden, so daß rohrförmige Hohlräume 192a entstehen (Figur 7a). Die weitere Behandlung (Galvanisieren 202, Einebnen der Galvanikstruktur, Entfernen des Füllmaterials 191a und des restlichen Resistmaterials 142a) erfolgt analog der Beschreibung zu Figur 8 und 9.
[0013] Anhand der Figuren 10, 11 und 12 wird im folgenden gezeigt, daß auch die metallische Platte mit den trichterförmigen Vorkanälen auf tiefenlithographisch-galvanischem Wege hergestellt werden kann. Hierzu wird auf einer als Galvanikelektrode dienenden Platte 12 eine Schicht 121 aus einem Negativ-Resistmaterial aufgebracht. Diese Schicht 121 wird über eine in geringem Abstand angeordnete Maske 122 partiell mit paralleler Röntgenstrahlung 123 eines Elektronensynchrotrons bestrahlt. Während der Bestrahlung führt die aus Maske 122, Resistschicht 121 und Platte 12 bestehende Einheit eine Taumelbewegung (Pfeile) relativ zur Strahlrichtung aus. Die Durchbrüche 125 in der Absorber struktur der Maske 122 haben einen Querschnitt, der dem der Düsenkapillaren entspricht. Durch die Strahlung 123 entstehen in der Resistschicht 121 Bereiche 124 mit trichterförmigen zur Platte 12 sich erweiterndem Querschnitt, die aufgrund der Bestrahlung im Vergleich zu den nicht bestrahlten Bereichen der Schicht 121 schwerer löslich sind. Nach dem Entfernen der nicht bestrahlten Bereiche der Resistschicht 121 mit einem flüssigen Entwickler entstehen auf der Platte 12 Negativformen 131 der trichterförmigen Vorkanäle. Nach dem galvanischen Abscheiden von Metall auf der Platte 12 und dem Einebnen dieser Galvanikschicht 141 (Figur 11) werden die Platte 12 und die Negativformen 131 entfernt, so daß eine mit trichterförmigen Vorkanälen 144 versehene metallische Platte 141 gemäß Figur 12 entsteht.
[0014] Die Herstellung der metallischen Platte mit trichterförmigen Vorkanälen kann auch bei Verwendung eines Positiv-Resistmaterials auf tiefenlithographisch-galvanischem Wege erfolgen. Die gemäß Fig. 10 während der Bestrahlung mit einer Taumelbewegung entstandenen Bereiche werden in diesem Falle entfernt und durch ein Füllmaterial ersetzt. Nach dem Entfernen des restlichen Resistmaterials mit einem Entwickler erhält man so Negativformen der trichterförmigen Vorkanäle aus dem Füllmaterial, die entsprechend den Figuren 11 und 12 weiterbearbeitet werden. Bei trapezförmigen Vorkanälen kann an die Stelle einer Taumelbewegung eine Kippbewegung treten.
[0015] Werden geringere Ansprüche an die Qualität der Vorkanäle gestellt, so kann anstelle der Bestrahlung mit einer Taumelbewegung eine Bestrahlung mit stark divergenter Strahlung einer flächenhaften Strahlungsquelle treten.
[0016] Als Positiv-Resistmaterial wird PMMA verwendet, das nach der Bestrahlung in einem flüssigen Entwickler aus Butyldiglycol, Morpholin, Ethanolamin und Wasser gelöst wird. Das Negativ-Resistmaterial ist auf Polystyrol-Basis aufgebaut, der hierfür erforderliche Entwickler besteht aus einem Gemisch aus Ketonen und höheren Alkoholen. Die galvanische Abscheidung von Metall erfolgt in einem chloridfreien Nickelsulfamatbad bei einer Temperatur von 52° C. Weitere Badbestandteile sind Borsäure, die zur Pufferung des Elektrolyten bei pH = 4 dient, und ein Netzmittel zur Porenverhütung. Die Röntgenmaske besteht aus einem für Röntgenstrahlung weitgehend durchlässigen Maskenträger aus ca. 20 um starkem Beryllium und einem für Röntgenstrahlung weitgehend undurchlässigen Absorber aus ca. 15 um Gold. Als energiereiche Strahlung wird Synchrotronstrahlung mit einer charakteristischen Wellenlänge von λc= 0,2 nm verwendet. Das wieder entfernbare strahlungsunempfindliche Füllmaterial besteht aus einem Gemisch aus einem Epoxidharz und einem internen Trennmittel.
a) Herstellen einer mit trichterförmigen Vorkanälen (144) versehenen, metallischen Platte (141);
b) Verbinden einer Schicht (142) aus durch energiereiche Strahlung in seinen Eigenschaften veränderbarem Material (Resistmaterial) mit der Seite der metallischen Platte (141), an der die verjüngten Enden der Vorkanäle (144) münden;
c) Partielles Bestrahlen der Schicht (142) mit energiereicher Strahlung (143) unter Verwendung der metallischen Platte (141) als Maske;
d1) Auffüllen der Vorkanäle (144) mit einem wieder entfernbaren Füllmaterial (152) und Entfernen der nicht bestrahlten Bereiche der Schicht (142) im Falle der Verwendung eines Negativ-Resistmaterials, so daß mit dem Füllmaterial (152) verbundene Negativformen (151) der Düsenkapillaren auf der metallischen Platte (141) entstehen (Figur 2), oder
d2) Entfernen der bestrählten Bereiche (142b) aus der Schicht (142a, Fig. 2a) und Auffüllen der entfernten Bereiche und der Vorkanäle (144) mit dem wieder entfernbaren Füllmaterial (152a, Fig. 2b) und anschließendes Entfernen der nicht bestrahlten Bereiche der Schicht (142a) im Falle der Verwendung eines Positiv-Resistmaterials, so daß ebenfalls Negativformen (151a, Fig. 2c) der Düsenkapillaren auf der metallischen Platte (141) entstehen;
Erzeugen einer die Negativformen (151 bzw. 151a) der Düsenkapillaren einschließenden Galvanikschicht (162) auf der als Galvanikelektrode dienenden metallischen Platte (141), Einebnen der Galvanikschicht (162) und Entfernen des Füllmaterials (152) und der Negativformen (151, Fig. 3) im Falle d1 bzw. Entfernen des Füllmaterials (151a und 152a, Fig. 3a) im Falle d2, so daß eine aus der Platte (141) mit den trichterförmigen Vorkanälen (144) und der Galvanikschicht (162) mit den Düsenkapillaren (161) bestehende Spinndüsenplatte (163) entsteht (Figur 4).
f1) nach Schritt c) (Figur 5) nochmaliges partielles Bestrahlen der Schicht (142) mit energiereicher Strahlung (181, Fig. 6) über eine Maske, deren Absorberstrukturen (182) den Außendurchmessern der rohrförmigen Ansätze für die Düsenkapillaren entsprechen, und Auffüllen der Vorkanäle (144) mit einem wieder entfernbaren Füllmaterial (191) im Falle der Verwendung eines Negativ-Resistmaterials, oder
f2) nach Schritt c) (Figur 5) Entfernen der bestrahlten Bereiche und Auffüllen der entfernten Bereiche und der Vorkanäle (144) mit einem wieder entfernbaren, strahlungsunempfindlichen Füllmaterial (191a, Fig. 6a) nochmaliges partielles Bestrahlen der Schicht (142a) über eine Maske, deren Absorberstrukturen (182a) Durchbrüche (182b) aufweisen, die den Außendurchmessern der rohrförmigen Ansätze für die Düsenkapillaren entsprechen, im Falle der Verwendung eines Positiv-Resistmaterials;
g1) Entfernen der nicht bestrahlten Bereiche (183) der Schicht (142) aus Negativ-Resistmaterial, so daß rohrförmige Hohlräume (192, Fig. 7) entstehen im Falle von f1 , oder
92) Entfernen der über die Maske bestrahlten Bereiche (183a, Fig. 6a) der Schicht (142a) aus Positiv-Resistmaterial, so daß ebenfalls rohrförmige Hohlräume (192a, Fig. 7a) entstehen im Falle von f2;
h) Erzeugen einer Galvanikstruktur (202) in den rohrförmigen Hohlräumen (192 bzw. 192a) Einebnen derselben und Entfernen des Füllmaterials (191 bzw. 191a ) und des restlichen Resistmaterials (142 bzw. 142a) entsprechend Schritt e), so daß eine aus der Platte (141) mit den trichterförmigen Vorkanälen (144) und den rohrförmigen Düsenkapillaren (202) bestehende Spinndüsenplatte (211, Fig. 9) entsteht.
i) Verbinden einer Schicht (121) aus durch energiereiche Strahlung in seinen Eigenschaften veränderbaren Material (Negativ-Resistmaterial) mit einer massiven Galvanikelektrode (12);
j) Erzeugen von mit der massiven Galvanikelektrode (12) verbundenen Negativformen (131) der trichterförmigen Vorkanäle durch partielles Bestrahlen des Resistmaterials (121) mit energiereicher Strahlung (123) über eine Maske (122), wobei die Einheit aus Maske (122), Resistmaterial (121) und massiver Galvanikelektrode (12) gleichzeitig eine Taumel- oder Kippbewegung relativ zur Strahlrichtung ausführt (Fig. 10), und Entfernen des unbestrahlten Resistmaterials (121);
k) Erzeugen einer die Negativformen (131) der trichterförmigen Vorkanäle einschließenden Galvanikschicht (141) auf der massiven Galvanikelektrode (12), Einebnen der Galvanikschicht (141, Fig. 11) und Entfernen der Negativformen (131);
1) vollständiges oder teilweises Entfernen der massiven Galvanikelektrode (12, Fig. 12), so daß eine metallische Platte (141) mit trichterförmigen Vorkanälen (144) entsteht.