CH620662A5

CH620662A5 -

Info

Publication number: CH620662A5
Application number: CH1397277A
Authority: CH
Inventors: Carlton Edward Olsen; Leroy Jasper Serpa
Original assignee: Ibm
Priority date: 1976-12-27
Filing date: 1977-11-16
Publication date: 1980-12-15
Also published as: ES465428A1; US4092166A; DE2752378A1; DE2752378C2; JPS606503B2; NL7712540A; FR2375628A1; GB1589538A; FR2375628B1; IT1113820B; JPS5382412A; CA1097974A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Präzisionsteilen durch Ätzen von photoempfindlichem Material.

Das Herstellen von Bauteilen aus ätzbaren Materialien, wie Kunststoff, Keramik und Metall, ist bereits bekannt. Dabei wird zur Formgebung mittels einer Maske ein auszuätzendes Muster auf das ätzbare Material aufgebracht. Das kann beispielsweise durch Abdecken der nicht zu ätzenden Stellen mittels eines Lackes erfolgen, der gegen das Ätzmittel resistent ist, oder durch Umwandlung des an sich ätzbaren Materials in eine nicht ätzbare Phase, und nachfolgendes Eintauchen in das Ätzmittel.

Dabei hat es sich gezeigt, dass insbesondere bei grösseren zu ätzenden Schichtdicken im Material stark geneigte Flanken auftreten, so dass mit zunehmender Tiefe der Ätzung eine Vergrösserung der geätzten Fläche relativ zu dem auf die Oberfläche des Materials aufgebrachten Muster eintritt. Dieser Vorgang wird mit Unterätzen bezeichnet.

Bei der Herstellung von Präzisionsteilen ist dieses Unterätzen besonders dann unerwünscht, wenn zwischen benachbarten Löchern nur eine dünne Trennwand stehen bleiben soll. Durch das Unterätzen können sich daher in der Tiefe des Materials Überlappungen benachbarter Löcher ergeben.

Mit der vorliegenden Erfindung wird bezweckt, diesen Nachteil der bekannten Ätzverfahren zu überwinden und ein neues Verfahren zur Herstellung von Präzisionsteilen vorzuschlagen, mit dem sich wegen der erzielbaren grösseren Flankensteilheit feinere Strukturen herstellen lassen.

Das erfindungsgemässe Verfahren zum Herstellen von Präzisionsteilen durch Ätzen von photoempfindlichem Material ist durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:

a) Belichten des photoempfindlichen Materials durch eine erste Maske mit Licht der Wellenlänge für welche das Material photoempfindlich ist;

b) Wärmebehandeln des Materials durch Erhitzen auf eine Temperatur, bei welcher in den belichteten Bereichen eine Umwandlung des Materials in eine kristalline Phase erfolgt;

c) Eintauchen des Materials in ein Ätzmittel zum Entfernen der kristallinen Phase des Materials;

d) Belichten des Materials durch eine zweite Maske mit dem Licht der genannten Wellenlänge, wobei die Reihenfolge der Verfahrensschritte c und d vertauschbar ist;

e) Wärmebehandeln des Materials durch Erhitzen auf eine Temperatur, bei welcher in den durch die zweite Maske belichteten Bereichen eine Umwandlung des Materials in eine kristalline Phase erfolgt;

f) Eintauchen des Materials in ein Ätzmittel zum Entfernen der kristallinen Phase des Materials.

Einzelheiten des Verfahrens werden bei einem Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnungen hiernach beschrieben:

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des photoempfindlichen Materials und der ersten Maske

Fig. 2 einen Schnitt durch das Material nach dem ersten Ätzschritt

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Belichtungsanordnung mit der zweiten Maske

Fig. 4 einen Schnitt durch das Material nach dem zweiten Ätzschritt

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie 5-5 der Fig. 4 Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer fertiggestellten Ladeelektrode

Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie 7-7 der Fig. 4 Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie 7-7 der Fig. 4 vor der Vollendung des zweiten Ätzschrittes und

Fig. 9 einen Schnitt entlang der Linie 9-9 der Fig. 6. Das Verfahren wird beispielsweise im Zusammenhang mit der Herstellung einer Matrix von Ladeelektroden für einen Tintenstrahl-Drucker beschrieben, doch kann es auch bei der Herstellung anderer Gegenstände Anwendung finden. Ferner wird bei der Beschreibung des Verfahrens auf die Verwendung von photoempfindlichem Glas Bezug genommen, das Verfahren eignet sich jedoch auch für jedes andere Material, das in mehrere koexistente Phasen umgewandelt werden kann, wobei diese Phasen unterschiedliche chemische Eigenschaften aufweisen.

Fig. 6 zeigt einen Teil einer Ladeelektroden-Matrix 10, wie sie für die Aufladung von Tintentropfen in einem Tinten-strahl-Drucker verwendet werden kann. Die Ladeelektrode weist eine Vielzahl von Öffnungen 12 (Fig. 2, 4) auf, die sich durch die ganze Dicke der Ladeelektrode erstrecken, so dass eine entsprechende Anzahl von Tintenstrahlen passieren kann. Obwohl in Fig. 6 nur wenige Öffnungen gezeigt sind, hat eine derartige Ladeelektrode zwischen 60 und 240 Öffnungen. Die in den Zeichnungen dargestellten Öffnungen 12 sind rechteckig, doch können andere Formen, wie elliptische oder runde, vorgesehen werden. Die inneren Oberflächen der Öffnungen 12 sind mit leitfähigem Material 14 überzogen, so dass sich eine Vielzahl von Ladetunneln ergibt. Die den ein5

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zelnen Tunneln zugeordneten Tintenstrahlen werden durch ein Düsenaggregat erzeugt und durch bekannte Mittel veranlasst, sich in einzelne Tropfen aufzulösen. Die Ladeelektrode hat einen definierten Abstand von den Düsen, derart, dass die Tintenstrahlen sich innerhalb der Tunnel 16 in etwa gleichgrosse Tropfen auflösen. Dadurch ist es möglich, den Tropfen selektiv eine elektrostatische Ladung zu erteilen und die geladenen Tropfen danach durch ein elektrostatisches Ablenkfeld in eine Auffangvorrichtung abzulenken, während die ungeladenen Tropfen in Richtung auf einen Aufzeichnungsträger weiterfliegen.

Die Herstellung von Ladeelektroden gemäss Fig. 6 für Tintenstrahl-Drucker hat sich als schwierig erwiesen, da jede der Öffnungen 12 die gleiche Grösse aufweisen und der gegenseitige Mittenabstand der Öffnungen enge Toleranzen einhalten muss.

Die Verwendung von photoempfindlichem Glas für die Ladeelektroden wäre wünschbar, da Ätzverfahren für derartige Materialien gut bekannt sind, und da man weiss, dass photoempfindliches Glas selektiv geätzt werden kann. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass der Neigungswinkel der Wände der Öffnungen bei der Anwendung konventioneller Ätztechniken für photoempfindliches Glas in vielen Fällen grösser ist als der Abstand zwischen benachbarten Ladetunneln, und aus diesem Grunde sind die konventionellen Ätzverfahren unbrauchbar.

Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt, den Neigungswinkel der durchgehenden Öffnungen so stark zu vermindern, dass er praktisch nicht feststellbar ist, weshalb sich das Verfahren sehr gut für die Herstellung von Präzisionsteilen eignet, wie es die als Beispiel gewählten Ladeelektroden gemäss Fig. 6 sind. Das Verfahren sieht z.B. die Verwendung von photoempfindlichem Glas als Substratmaterial vor, wie es beispielsweise unter dem Handelsnamen Foto-Ceram bekannt ist, welches von den Corning Glass Works vertrieben wird. Beim ersten Verfahrensschritt wird das photoempfindliche Glassubstrat Licht einer Wellenlänge ausgesetzt, für welche das Glas photoempfindlich ist, was zur Entwicklung von Nukleationsstellen innerhalb des Glasmaterials führt, an denen später ein Kristallwachstum auftritt. Das Substrat wird dann mit Wärme behandelt, wobei sich in den exponierten Bereichen eine kristalline Substanz bildet, die als «Foto-Opal» bekannt ist. Darauf wird das Substrat einer geeigneten Ätzlösung ausgesetzt, welches die kristallinen Foto-Opalbereiche sehr viel stärker angreift als das unbelichtete Material, welches als «Foto-Form»-Material bezeichnet wird. Wegen der unterschiedlichen Ätzgeschwindigkeiten ergibt sich im Grenzbereich zwischen dem Foto-Form-Material und dem Foto-Opal-Material ein Neigungswinkel, dessen Grösse proportional zur Tiefe der Ätzung in das Foto-Opal-Material ist. Diese Neigung ist erheblich für tiefe Löcher, wie die Öffnungen 12 in der Ladeelektrode 10. Zur Herabsetzung der Neigung der Wände wird ein zweiter Belichtungs/Ätzzyklus durchgeführt, der nun nur eine dünne Schale von Material betrifft, die einerseits durch die zuvor geätze Öffnung 12 und andererseits durch das wenig vergrössert exponierte Muster der endgültigen Öffnungsgrösse begrenzt wird. Ein zusätzlicher Vorteil des doppelten Ätzverfahrens besteht darin, dass beim zweiten Durchgang nicht nur die endgültige Grösse der Ladetunnel erreicht wird, sondern auch die Zuleitungen zur Ladeelektrode auf die vorgeschriebene Tiefe geätzt werden können. Das fertig geätzte Substrat wird dann wieder belichtet und einer Wärmebehandlung unterzogen, um das Glas zu desensibilisieren.

Die Reihenfolge der Verfahrensschritte kann in gewissen Grenzen geändert werden, ohne die Präzision des Verfahrens einzuschränken. So wird gelegentlich der zweite Belichtungsschritt vor dem ersten Ätzschritt durchgeführt, was in einigen

Fällen bevorzugt wird, da hierdurch die Gefahr verringert wird, dass beim zweiten Belichtungsschritt durch Streulicht die Auflösung beeinträchtigt wird.

Das photoempfindliche Glas, welches das Substrat 20 bildet, enthält als eine seiner Komponenten ein polyvalentes Ion, welches leicht in einen höheren Zustand angeregt werden kann, und diese Anregung kann durch Licht erfolgen, welches von einer Lichtquelle auf das Glas geworfen wird. Ein anderer Bestandteil des Glases ist ein Metall-Ion welches leicht ein Elektron abgibt, wodurch das Metall-Ion reduziert wird und Nukleationsstellen bildet, an denen Kristalle zu wachsen beginnen, welche die kristalline Phase des Glases hervorrufen. Ein dritter Bestandteil des Glases dient der Verbesserung seiner Fähigkeit, die anderen beiden Komponenten in Lösung zu halten, und dieser Bestandteil ist gewöhnlich Antimon.

Die einzelnen Schritte des erfindungsgemässen Verfahrens werden nun im Detail erläutert. Der erste Schritt umfasst das Exponieren des Substrats 20 durch eine Maske 24, wobei die Lichtquelle vorzugsweise kolliminiertes Licht liefert. Eine geeignete Lichtquelle ist eine Quecksilber-Xenon-Lampe, die Licht einer Wellenlänge liefert, für welche das Glas photoempfindlich ist. Die Maske 24 hat eine Vielzahl von Öffnungen 26 deren Grösse W1 X LI etwas kleiner ist, als der endgültigen Grösse der Öffnungen 12 der Ladeelektrode entspricht.

Der nächste Verfahrensschritt ist die Wärmebehandlung des Substrats, um das Glas an den exponierten Stellen in seine kristalline Phase zu transformieren. Dabei wird das Glas auf die ihm eigene kritische Temperatur gebracht und bei dieser Temperatur so lange gehalten, bis der Kristallisationsvorgang beendet ist. Beispielsweise werden vom Hersteller des bevorzugten Foto-Ceram-Glases 592° Celsius und 30 Minuten Umwandlungszeit angegeben.

Der nächste Schritt des Verfahrens umfasst das Eintauchen des Substrats in eine geeignete Ätzlösung, von welcher das kristalline Foto-Opal-Glas wesentlich stärker angegriffen wird als das Foto-Form-Glas. Eine geeignete Ätzlösung ist eine 12 % ige Lösung von Flusssäure in Wasser. Beim Ätzvorgang ergeben sich Unterätzungen ALI und AW1 in der umgebenden Foto-Form Grenzschicht, wobei ALI und AW1 der Tiefe der Ätzung in das Foto-Opal-Glas proportional sind.

Das Substrat 20 wird darauf durch eine Maske 28 erneut der Lichtquelle 22 ausgesetzt (Fig. 3). Wie bereits erwähnt kann die zweite Belichtung auch vor dem ersten Ätzschritt erfolgen. Die Maske 28 hat eine Öffnung 30, deren Dimensionen W2 X L2 den endgültigen Dimensionen des Ladetunnels entsprechen, sowie eine Öffnung 32, die für die Zuleitung zum Ladetunnel vorgesehen ist.

Das Substrat wird dann erneut einer Wärmebehandlung unterzogen, um wie zuvor das Glas an den durch die Maske 28 belichteten Stellen zu kristallisieren.

Danach wird der letzte Ätzschritt ausgeführt, wodurch gleiche Dicken (AL) von Material von den Wänden des Ladetunnels und dem Zuleitungspfad abgetragen werden. Die Grösse der Maske 24 kann so gewählt werden, dass der für die gewünschte Tiefe des Schlitzes 34 für die Zuleitung erforderliche Wert von AL erreicht wird.

Das gesamte Substrat wird danach durch die Lichtquelle 22 belichtet und einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterzogen, so dass der Glaskörper desensibilisiert ist.

Die mittels des Doppelätzverfahrens erreichte Verminderung der Neigung ist aus den Unterätzungen in das Foto-Form-Glas durch die beiden Ätzoperationen aus den Figuren 2 und 4 zu ersehen. Daraus ergibt sich ALI \L1

= = R,

\L2 ALI/R

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worin R für die Reduktion der Neigung steht und einen Wert von ungefähr 20 hat. Dies bedeutet, dass die sich aus einem einzigen Belichtungs/Ätz-Vorgang ergebende Unterätzung etwa 20 Mal so gross ist wie mit dem hier vorgeschlagenen Doppel-Belichtungs/Ätzverfahren.

Für neue Düsenaggregate sind Ladetunnelgrössen und Mittenabstände für Ladelektroden-Matrizen vorgesehen, bei denen zwischen den einzelnen Ladetunneln Abstände von nur 0,05 ... 0,1 mm verbleiben. Durch die Seitenwandneigung, die beim Ätzen mit dem bekannten Einzel-Belichtungs/Ätzver-fahren auftritt, lässt sich eine derartige Packungsdichte nicht erreichen. Bei dem Einzel-Belichtungs/Ätzverfahren ergibt sich eine Neigung

T1

Li = = 0,033 mm,

2R

wobei T1 = 1,25 mm die Dicke der Ladeelektrode bedeutet und R = 20 das Verhältnis der Ätzgeschwindigkeiten im belichteten und unbelichteten Glaskörper. Dabei ergibt sich, dass 0,066 mm (2 ALI) Zwischenraum infolge der Neigung verloren gehen, wodurch eine Überlappung benachbarter Ladetunnel auftreten kann, während sich für das Doppel-Be-5 lichtungs/Ätzverfahren

T1

AL2 = 2 = 0,061 mm

2R

J0 ergibt. Der Verlust durch die Wandneigung ist in diesem Fall praktisch nicht feststellbar, nämlich nur 0,032 mm (2 AL2).

An dem vorstehend beschriebenen Beispiel wurde gezeigt, dass das Doppel-Belichtungs/Ätzverfahren der vorliegenden Erfindung geeignet ist, Präzisionsteile herzustellen, wie bei-15 spielsweise eine Ladeelektroden-Matrix für einen Tintenstrahl-Drucker, für deren Herstellung die konventionellen Ätzverfahren wegen zu starker Unterätzung nicht in Frage kamen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Herstellen von Präzisionsteilen durch Ätzen von photoempfindlichem Material, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Belichten des photoempfindlichen Materials durch eine erste Maske mit Licht der Wellenlänge, für welche das Material photoempfindlich ist;

b) Wärmebehandeln des Materials durch Erhitzen auf eine Temperatur, bei welcher in den belichteten Bereichen eine Umwandlung des Materials in eine kristalline Phase erfolgt;

c) Eintauchen des Materials in Ätzmittel zum Entfernen der kristallinen Phase des Materials;

d) Belichten des Materials durch eine zweite Maske mit dem Licht der genannten Wellenlänge, wobei die Reihenfolge der Verfahrensschritte c und d vertauschbar ist;

e) Wärmebehandeln des Materials durch Erhitzen auf eine Temperatur, bei welcher in den durch die zweite Maske belichteten Bereichen eine Umwandlung des Materials in eine kristalline Phase erfolgt;

f) Eintauchen des Materials in ein Ätzmittel zum Entfernen der kristallinen Phase des Materials.
2. Verfahrennach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Belichten des Materials mittels einer Queck -silber/Xenon-Lampe erfolgt.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das photoempfindliche Material ein Glas ist.
4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung aus einer Erhitzung des Materialis auf 592° Celsius während 30 Minuten besteht.
5. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausführen des Schrittes a die erste Maske (24) Öffnungen (12) mit Untermass auf dem durch das photoempfindliche Material gebildeten Substrat (20) definiert, und dass beim Ausführen des Schrittes d die zweite Maske (28) auf dem Substrat (20) die Öffnungen (12) in ihren gewünschten Abmessungen definiert.
6. Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die zweite Maske (28) zusätzlich ein Pfad (34) für wenigstens eine Zuleitung zu dem später aufzubringenden leitenden Belag (14) innerhalb der Öffnungen (12) definiert wird.