CH676977A5 - Glass etching - uses multilayer mask with mask window developed by photo-lithography at given point - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ätzen von Glas der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art. 



  Solche Ätzverfahren eignen sich beispielsweises zum Herstellen von Glassubstraten und Glasverpackungen für hybride oder mikroelektronische Schaltungen. 



  Solche Substrate müssen Löcher für Durchführungen, Vertiefungen etc. aufweisen, die aber nach dem Stand der Technik auf mechanischem Wege sehr aufwendig herzustellen sind. 



  Bekannt ist das Ätzen von Glas mittels konzentrierter Flusssäure (HF) und das Maskieren von Glasoberflächen vor dem Ätzen mittels Wachsen, Lacken usw. für die Herstellung von flach eingeätzten dekorativen Mustern und Zeichnungen. 



  Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein chemisches Ätzverfahren für eine leichte und kontrollierbare Herstellung von Löchern und Vertiefungen in einem Substrat aus einem Glas zu schaffen. 



  Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. 



  Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. 



  Es zeigt: 
 
   Fig. 1. eine Ansicht eines maskierten Substrats mit einer Schnittfläche und 
   Fig. 2. ein Querschnitt durch das maskierte Substrat vor und nach dem Ätzen. 
 



  In den Fig. 1 und 2 bedeutet 1 ein Substrat mit einer metallischen Maske 2. Die Maske 2 bedeckt beide Oberflächen 3  und die hier nicht gezeigten Seitenflächen des Substrats 1 und weist auf einer der beiden Oberflächen 3 wenigstens ein Maskenfenster 4 auf. Das Maskenfenster 4 besitzt eine zentrale \ffnung 5 und ist von wenigstens einem Begrenzungsstreifen 6 umgeben. Der Begrenzungsstreifen 6 teilt die Maske 2 in ein äusseres Gebiet 7 und ein inneres Gebiet 8 auf. In der \ffnung 5 und im Begrenzungsstreifen 6 liegt die Oberfläche 3 im Gegensatz zu den Gebieten 7, 8 frei. 



  Die Maske 2 widersteht beim Ätzen einem Ätzmittel, während das Substrat 1 in freiliegenden Teilen der Oberfläche 3 aufgelöst wird und eine Grube entsteht. 



  Die Form der \ffnung 5 ist z.B. eine Kreisfläche, die in einem vorbestimmten Abstand D zum Mittelpunkt des Kreises vom kreisringförmigen Begrenzungsstreifen 6 umgeben ist, der eine vorbestimmte Breite 5 aufweist. 



  Andere Formen des Maskenfensters 4 sind möglich. Beispielsweise ist die \ffnung 5 ein Quadrat, ein Rechteck, ein Oval oder eine andere, durch gerade oder gebogene Segmente begrenzte Flächenform. Der Begrenzungsstreifen 6 verläuft parallel zu einer Begrenzung 9 der \ffnung 5 in einem vorbestimmten Abstand D ausserhalb der \ffnung 5. Vorteilhaft werden für die Begrenzung 9 scharfe Ecken vermieden und durch Kreisbögen ersetzt. 



  Der Begrenzungsstreifen 6 kann beispielsweise mit wenigstens einer Zunge 10 unterbrochen werden, um die Gebiete 7 und 8 elektrisch zu verbinden. Die Zunge 10 weist etwa die Breite S des Begrenzungsstreifens 6 auf. 



  In einer anderen Ausführung des Maskenfensters 4 wird der Begrenzungsstreifen 6 von weiteren hier nicht dargestellten Streifen von vorbestimmten Dimensionen umgeben, die zueinander und zum Begrenzungsstreifen 6 in vorbestimmten Abständen verlaufen. 



  Anderseits kann, falls der Durchmesser der Grube wenigstens das Zweifache der Dicke des Substrates 1 aufweist, der Begrenzungsstreifen 6 auch weggelassen und das Maskenfenster 4 vereinfacht werden. 



  Als Substrat 1 wird mit Vorteil ein Borsilikatglas, ein Quarzglas etc. verwendet. Das Substrat 1 ist plattenförmig und weist eine gleichmässige Dicke von 0,1 bis zu 0,8 mm auf. 



  Die Maske 2 ist aus wenigstens drei metallischen Schichten 11 bis 13 (Fig. 2 ) aufgebaut. Die Dicken der Schichten sind so gewählt, dass sie keinerlei Poren oder andere Fehlstellen aufweisen. 



  Auf die sorgfältig gereinigten Oberflächen 3 wird zunächst die Grundschicht 11 vollflächig aufgebracht. Darüber wird die Zwischenschicht 12 abgeschieden. Die Schichtdicken betragen für die Grundschicht 11 maximal 100 nm und für die Zwischenschicht etwa 200 nm bis 400 nm. Diese dünnen Schichten 11 und 12 werden mit Vorteil aufgesputtert. 



  Die Grundschicht 11 besteht beispielsweise aus Chrom, während sich für die Zwischenschicht 12 Gold als das vorteilhafteste Material erweist. 



  In einem hier nicht dargestellten Schritt wird die Zwischenschicht mit Photoresist überzogen und auf photolithographischem Wege die Strukturen 5, 6 und 10 der Maskenfenster 4 in den beiden metallischen Schichten 11 und 12 auf einer Oberfläche erzeugt. Anschliessend wird das Substrat 1 von allen Spuren des Photoresists gereinigt. 



  Über der Zwischenschicht 12 wird eine Deckschicht 13 der Maske 2 mit einer Stärke von 3 bis 8 Mikrometern abgeschieden. Weisen die Maskenfenster 4 die Zungen 10 auf, ist die Deckschicht 13 galvanisch abscheidbar. Ohne diese Zungen 10 ist nur ein Verfahren einsetzbar, das die Deckschicht 13 stromlos und autokatalytisch abscheidet. Beispielsweise sind solche Verfahren  vom stromlosen Metallisieren von Kunststoffen bekannt. 



  Für die Deckschicht 13 erweist sich Kupfer als vorteilhaft. 



  Möglich ist auch die Erzeugung der Maskenfenster 4 nach dem Abscheiden der Deckschicht 13, insbesondere wenn die Strukturen 5, 6 und 10 bzw. D und S grosse Abmessungen aufweisen. 



  Auf der Oberfläche 3, die keine Maskenfenster 4 aufweist, wird zusätzlich wenigstens ein Tropfen 14 aus einem Metall, das chemisch unedler als die in der Maske 2 verwendeten Metalle ist, galvanisch mit der Deckschicht 3 verbunden. Vorteilhaft sind Lötzinn, Zinn oder Zink. 



  Die so hergestellte Maske 2 ist porenfrei und widersteht den schweren Bedingungen im Ätzbad. 



  Als Ätzmittel wird Flussäure (HF) verwendet, deren Konzentration etwa 40% beträgt und die mit Vorteil mittels Salzsäure auf einen pH-Wert von 0 bis 1 gebracht wird. Zur Regelung der Ätzrate wird die Temperatur des Ätzbades auf einen vorbestimmten Wert eingestellt, z.B. auf etwa 60 DEG  bis 70 DEG C. Zur Kontrolle kann während des Ätzens das Substrat 1 aus dem Ätzbad gezogen werden, um durch die \ffnungen 5 visuell den Ätzfortschritt zu prüfen. 



  In der \ffnung 5 löst das Ätzmittel das Substrat 1 in schalenförmigen Schichten auf, wobei die Maske 2 von der Berandung 9 (Fig. 1) ausgehend im inneren Gebiet 8 unterätzt wird. Die Ätzrate durch die \ffnung 5 hängt von deren Fläche ab. 



   Im Begrenzungsstreifen 6 wird in die Tiefe und unter der Maske 2 in beiden Gebieten 7 und 8 geätzt, wobei eine trogförmige Nute erzeugt wird. Jedoch ist die Ätzrate kleiner, weil die Breite 5 geringer ist als der Durchmesser der \ffnung 5. 



  Wird vor dem Ätzen eine Photoresistschicht 15 (Fig. 2) von  etwa 0,5 bis 2,5 Mikrometer Dicke auf die Deckschicht 13 aufgebracht und durch Belichten derart strukturiert, dass die \ffnungen 5 freigelegt werden, kann der Ätzvorgang im Begrenzungsstreifen 6 verhindert werden. Die Photoresistschicht 15 haftet auf der frisch erzeugten Deckschicht 13 besonders gut. Im Bereich des Begrenzungsstreifens 6 bildet die Photoresistschicht 15 eine Brücke 16. Mittels Ultraschall wird die Brücke 16 zu einem vorbestimmten Zeitpunkt des Ätzvorgangs zertrümmert und durch die Flüssigkeit des Ätzbades entfernt und weggespült. 



  Die Maskierung der Maske 2 mit der Photoresistschicht 15 dient mit Vorteil zur Steuerung der Form einer Vertiefung 17 im Substrat 1, insbesondere des Durchmessers. Wird die Vertiefung durch die ganze Dicke des Substrates 1 durchgeätzt, entsteht aus der Vertiefung 17 ein Loch mit einer Mündung 18, dessen Seitenwände von hoher Oberflächenqualität sind. Durch die Art der Herstellung bedingt, können vorteilhaft sich stufenweise verjüngende Löcher erzeugt werden. 



  Sobald durch das Ätzen eine Teilfläche 19 der Grundschicht 11 freigelegt wird, wird die Passivierung der Chromoberfläche auf elektrochemischem Wege neutralisiert, da die Grundschicht 11 und der Tropfen 14 im sauren Ätzmittel ein galvanisches Element bilden, das das Chrom in der Teilfläche 19 depassiviert. Die Grundschicht 11 wird daher vom Ätzmittel angegriffen und aufgelöst, so dass die darunterliegende Zwischenschicht 12 sichtbar wird. 



  Mit Vorteil wird dieses Auflösen der Chromschicht durch die Mündung 18 des Loches, das an der Stelle der \ffnung 5 entstanden ist, beobachtet. Besteht die Grundschicht 11 aus Chrom und die Zwischenschicht 12 aus Gold, ist der Farbumschlag von silberweiss auf goldfarben gut beobachtbar und dient z.B. als Hinweis auf das Ende des Ätzvorgangs bzw. allgemein zur Kontrolle des Ätzfortschrittes. 



  Mit Vorteil kann das äussere Gebiet 7 ebenfalls mit einer hier  nichtgezeigten Verbindung zu einem Tropfen 14 kontaktiert werden. Beim Ätzen wird die freiliegende Teilfläche 19 des äusseren Gebietes 7 depassiviert und die Grundschicht 11 aufgelöst Das Ätzmittel dringt in zwischen der Zwischenschicht 12 und den Oberflächen 3 entstehenden Spalten ein und rundet scharfe Kanten 20 der Vertiefungen 17 ab. 



  Bei der Dimensionierung der Strukturen der Maskenfenster 4 ist die Unterätzung der Maske 2 (Fig. 1) miteinzubeziehen. Für kleine Löcher, deren Durchmesser etwa der Dicke des Substrates 1 entsprechen, muss die \ffnung 5 zu Beginn des Ätzvorgangs sehr klein sein. Die Ätzrate nimmt daher rasch in die Tiefe ab, bis schliesslich nur noch im wesentlichen die Maske 2 unterätzt wird. 



  Während des Ätzens kann das Bad mittels Ultraschall bewegt werden. Die Erzeugung von Ultraschall kann kontinuierlich oder zu vorbestimmten Zeitpunkten erfolgen. 



  Das oben beschriebene Maskenfenster 4 (Fig. 1) verändert sich vorteilhaft. Die Vertiefungen 17 der zentralen \ffnung 5 und des Begrenzungsstreifens 6 unterätzen das innere Gebiet 8 von innen und von aussen her. Zu einem späteren vorbestimmten Zeitpunkt berühren sich die beiden Ätzfronten 21. Das innere Gebiet 8 der Maske 2 ist freigeätzt und fällt aus der Maske 2 heraus. Die Ätzrate in die Tiefe nimmt durch die starke Vergrösserung der \ffnung 5 auf die Fläche der Mündung 18 in einer Stufe schlagartig zu, so dass die Vertiefung 17 steile Wände erhält. Wie oben erwähnt kann der Zeitpunkt des Ätzbeginns im Begrenzungsstreifen 6 verzögert werden. Dies beeinflusst vorteilhaft die Steilheit der Wände der Vertiefung 17. 



  Sind die Gebiete 7 und 8 mittels Zungen 10 verbunden, können die unterätzten und freihängenden Masken 2 im inneren Gebiet 8 mittels Ultraschall zum Vibrieren gebracht werden, bis die Zungen 10 infolge Materialermüdung brechen. 



  Weisen die Maskenfenster 4 eine von der Kreisform abweichende Form auf, werden andere Vertiefungen 17 als symmetrische Löcher erzeugt. 



  Normalerweise greift das Ätzmittel an Kanten des Substrats 1, die entweder verletzt oder schlecht bedeckt sind, das Substrat 1 an. Dort steht die Maske 2 nach dem Ätzen geringfügig über und kann, da sie mechanisch genügend fest ist, von den Oberflächen 3 abgezogen werden. Bei sehr dünnen Substraten 1 ist jedoch ein chemisches Abätzverfahren zum Entfernen der metallischen Schichten 11 bis 13 vorteilhaft. 



   In einer Ausführung der Maskenfenster 4 wurde die Breite 5 zu etwa 1 bis 5 Mikrometer gewählt. Der Abstand D hängt vom Durchmesser des gewünschten Loches und von der Dicke des Substrats 1 ab. Beispielsweise ist für ein Loch von etwa 0,3 mm Durchmesser der Abstand D etwa 0,1 mm bei einem Substrat 1 von 0,3 mm Dicke. Der Grad der Unterätzung zeigt sich an der Mündung 18, deren Durchmesser schliesslich 0,3 mm wie das Loch aufweist. 



  Der Ätzvorgang dauert zwischen 10 und 45 Minuten. Mit Vorteil können auch eine Vielzahl gleicher Masken 2 auf derselben Glasplatte nebeneinander aufgebracht werden. Mit einem einzigen Ätzvorgang werden nach dem Trennen der Glasplatte eine vorbestimmte Zahl identischer Substrate 1 erhalten. 

Claims (8)

1. Verfahren zum Ätzen mittels Flusssäure durch eine Maske an der Oberfläche eines Substrates aus einem Glas, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (2) aus wenigstens drei metallischen Schichten (11; 12; 13) auf dem Substrat (1) allseitig aufgebaut wird und dass in einer der beiden Oberflächen (3) an wenigstens einer vorbestimmten Stelle auf photolithographischem Weg ein Maskenfenster (4) mit wenigstens einer zentralen \ffnung (5) erzeugt wird.

2.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale \ffnung (5) von wenigstens einem eine Breite (S) aufweisenden Begrenzungsstreifen (6) in einem Abstand (D) umgeben wird, dass die Dimensionen einer eingeätzten Vertiefung (17) durch die Breite (S) der Begrenzungsstreifen (6) und den Abstand (D) der Begrenzungsstreifen (6) von einer Begrenzung (9) der zentralen \ffnung (5) und deren Form sowie von der Dicke des Substrates (1) vorbestimmt werden und dass die \ffnung (5) in einer Stufe auf eine Mündung (18) vergrössert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskenfenster (4) nach dem Aufbringen einer Zwischenschicht (12) und vor dem Abscheiden der Deckschicht (13) erzeugt werden.

4.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzmittel aus konzentrierter Flusssäure mittels Salzsäure auf einen pH-Wert von 0 bis 1 eingestellt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) zunächst nur durch die \ffnung (5) hindurch geätzt wird und dass nach einer vorbestimmten Verzögerung die Fläche der Begrenzungslinie (6) zum Ätzen freigegeben wird.

6. Verfahren nach Anpruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzungsstreifen (6) mittels einer Photoresistschicht (15) vor dem Ätzen abgedeckt wird und dass eine Brücke (16) der Photoresistschicht (15) über dem Begrenzungsstreifen (6) zu einer vorbestimmten Zeit nach dem Ätzbeginn mittels Ultraschall im Ätzbad zertrümmert und entfernt wird.

7.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Gebiete (8) der Maske (2) unter Einwirkung von Ultraschall entfernt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundschicht (11) aus Chrom auf das Substrat (1) aufgesputtert wird, dass darüber die Zwischenschicht (12) aus Gold aufgetragen wird und dass nach der Strukturierung der Schichten (11; 12) die Deckschicht (13) aus Kupfer abgeschieden wird und dass an wenigstens einer vorbestimmten Stelle der Maske (2) ein Tropfen (14) aus einem unedleren Metall galvanisch mit der Deckschicht (13) verbunden wird. 1. Verfahren zum Ätzen mittels Flusssäure durch eine Maske an der Oberfläche eines Substrates aus einem Glas, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (2) aus wenigstens drei metallischen Schichten (11; 12; 13) auf dem Substrat (1) allseitig aufgebaut wird und dass in einer der beiden Oberflächen (3) an wenigstens einer vorbestimmten Stelle auf photolithographischem Weg ein Maskenfenster (4) mit wenigstens einer zentralen \ffnung (5) erzeugt wird. 2.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale \ffnung (5) von wenigstens einem eine Breite (S) aufweisenden Begrenzungsstreifen (6) in einem Abstand (D) umgeben wird, dass die Dimensionen einer eingeätzten Vertiefung (17) durch die Breite (S) der Begrenzungsstreifen (6) und den Abstand (D) der Begrenzungsstreifen (6) von einer Begrenzung (9) der zentralen \ffnung (5) und deren Form sowie von der Dicke des Substrates (1) vorbestimmt werden und dass die \ffnung (5) in einer Stufe auf eine Mündung (18) vergrössert wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskenfenster (4) nach dem Aufbringen einer Zwischenschicht (12) und vor dem Abscheiden der Deckschicht (13) erzeugt werden. 4.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzmittel aus konzentrierter Flusssäure mittels Salzsäure auf einen pH-Wert von 0 bis 1 eingestellt wird. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) zunächst nur durch die \ffnung (5) hindurch geätzt wird und dass nach einer vorbestimmten Verzögerung die Fläche der Begrenzungslinie (6) zum Ätzen freigegeben wird. 6. Verfahren nach Anpruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzungsstreifen (6) mittels einer Photoresistschicht (15) vor dem Ätzen abgedeckt wird und dass eine Brücke (16) der Photoresistschicht (15) über dem Begrenzungsstreifen (6) zu einer vorbestimmten Zeit nach dem Ätzbeginn mittels Ultraschall im Ätzbad zertrümmert und entfernt wird. 7.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Gebiete (8) der Maske (2) unter Einwirkung von Ultraschall entfernt werden. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundschicht (11) aus Chrom auf das Substrat (1) aufgesputtert wird, dass darüber die Zwischenschicht (12) aus Gold aufgetragen wird und dass nach der Strukturierung der Schichten (11; 12) die Deckschicht (13) aus Kupfer abgeschieden wird und dass an wenigstens einer vorbestimmten Stelle der Maske (2) ein Tropfen (14) aus einem unedleren Metall galvanisch mit der Deckschicht (13) verbunden wird.