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.
The invention relates to a method for etching glass of the type mentioned in the preamble of claim 1.
Such etching processes are suitable, for example, for producing glass substrates and glass packaging for hybrid or microelectronic circuits.
Such substrates must have holes for feedthroughs, depressions, etc., which, however, are very complex to produce mechanically according to the prior art.
It is known to etch glass using concentrated hydrofluoric acid (HF) and to mask glass surfaces before etching using waxes, lacquers, etc. for the production of flat-etched decorative patterns and drawings.
The invention has for its object to provide a chemical etching process for easy and controllable production of holes and depressions in a substrate made of a glass.
According to the invention, the stated object is achieved by the features of claim 1. Advantageous refinements result from the dependent claims.
An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawings.
It shows:
1 is a view of a masked substrate with a cut surface and
2 shows a cross section through the masked substrate before and after the etching.
1 and 2, 1 denotes a substrate with a metallic mask 2. The mask 2 covers both surfaces 3 and the side surfaces of the substrate 1 (not shown here) and has at least one mask window 4 on one of the two surfaces 3. The mask window 4 has a central opening 5 and is surrounded by at least one boundary strip 6. The boundary strip 6 divides the mask 2 into an outer region 7 and an inner region 8. In contrast to regions 7, 8, surface 3 is exposed in opening 5 and in boundary strip 6.
The mask 2 resists an etchant during the etching, while the substrate 1 is dissolved in exposed parts of the surface 3 and a pit is formed.
The shape of the opening 5 is e.g. a circular area which is surrounded at a predetermined distance D from the center of the circle by the annular boundary strip 6, which has a predetermined width 5.
Other forms of the mask window 4 are possible. For example, the opening 5 is a square, a rectangle, an oval or another surface shape delimited by straight or curved segments. The boundary strip 6 runs parallel to a boundary 9 of the opening 5 at a predetermined distance D outside the opening 5. For the boundary 9, sharp corners are advantageously avoided and replaced by arcs.
The boundary strip 6 can be interrupted, for example, with at least one tongue 10 in order to electrically connect the regions 7 and 8. The tongue 10 has approximately the width S of the boundary strip 6.
In another embodiment of the mask window 4, the boundary strip 6 is surrounded by further strips, not shown here, of predetermined dimensions, which run to one another and to the boundary strip 6 at predetermined intervals.
On the other hand, if the diameter of the pit is at least twice the thickness of the substrate 1, the boundary strip 6 can also be omitted and the mask window 4 can be simplified.
A borosilicate glass, a quartz glass etc. is advantageously used as the substrate 1. The substrate 1 is plate-shaped and has a uniform thickness of 0.1 to 0.8 mm.
The mask 2 is made up of at least three metallic layers 11 to 13 (FIG. 2). The thicknesses of the layers are chosen so that they have no pores or other imperfections.
The base layer 11 is first applied over the entire surface of the carefully cleaned surfaces 3. The intermediate layer 12 is deposited over this. The layer thicknesses are a maximum of 100 nm for the base layer 11 and approximately 200 nm to 400 nm for the intermediate layer. These thin layers 11 and 12 are advantageously sputtered on.
The base layer 11 consists, for example, of chromium, while gold proves to be the most advantageous material for the intermediate layer 12.
In a step not shown here, the intermediate layer is coated with photoresist and the structures 5, 6 and 10 of the mask window 4 in the two metallic layers 11 and 12 are produced on one surface by photolithography. The substrate 1 is then cleaned of all traces of the photoresist.
A cover layer 13 of the mask 2 with a thickness of 3 to 8 micrometers is deposited over the intermediate layer 12. If the mask windows 4 have the tongues 10, the cover layer 13 can be electrodeposited. Without these tongues 10, only one method can be used that separates the top layer 13 electrolessly and autocatalytically. For example, such methods of electroless plating of plastics are known.
Copper has proven to be advantageous for the cover layer 13.
It is also possible to produce the mask window 4 after the covering layer 13 has been deposited, in particular if the structures 5, 6 and 10 or D and S have large dimensions.
On the surface 3, which has no mask window 4, at least one drop 14 made of a metal that is chemically less noble than the metals used in the mask 2 is additionally galvanically connected to the cover layer 3. Soldering tin, tin or zinc are advantageous.
The mask 2 produced in this way is non-porous and resists the severe conditions in the etching bath.
Hydrofluoric acid (HF) is used as the etchant, the concentration of which is approximately 40% and which is advantageously brought to a pH of 0 to 1 using hydrochloric acid. To control the etching rate, the temperature of the etching bath is set to a predetermined value, e.g. to about 60 ° to 70 ° C. As a check, the substrate 1 can be pulled out of the etching bath during the etching in order to visually check the progress of the etching through the openings 5.
In the opening 5, the etchant dissolves the substrate 1 in shell-shaped layers, the mask 2 being undercut in the inner region 8 starting from the edge 9 (FIG. 1). The etching rate through the opening 5 depends on its area.
In the boundary strip 6, etching is carried out in depth and under the mask 2 in both regions 7 and 8, a trough-shaped groove being produced. However, the etching rate is smaller because the width 5 is less than the diameter of the opening 5.
If a photoresist layer 15 (FIG. 2) of approximately 0.5 to 2.5 micrometers thick is applied to the cover layer 13 before the etching and structured by exposure in such a way that the openings 5 are exposed, the etching process in the boundary strip 6 can be prevented . The photoresist layer 15 adheres particularly well to the freshly produced cover layer 13. In the area of the boundary strip 6, the photoresist layer 15 forms a bridge 16. By means of ultrasound, the bridge 16 is broken up at a predetermined point in time of the etching process and removed by the liquid in the etching bath and washed away.
The masking of the mask 2 with the photoresist layer 15 advantageously serves to control the shape of a depression 17 in the substrate 1, in particular the diameter. If the depression is etched through the entire thickness of the substrate 1, a hole with an opening 18 results from the depression 17, the side walls of which are of high surface quality. Due to the type of manufacture, it is advantageously possible to produce gradually tapering holes.
As soon as a partial surface 19 of the base layer 11 is exposed by the etching, the passivation of the chrome surface is neutralized electrochemically, since the base layer 11 and the drop 14 form a galvanic element in the acidic etchant, which depassivates the chrome in the partial surface 19. The base layer 11 is therefore attacked and dissolved by the etchant, so that the intermediate layer 12 underneath is visible.
This dissolution of the chromium layer is advantageously observed through the mouth 18 of the hole which has arisen at the location of the opening 5. If the base layer 11 is made of chrome and the intermediate layer 12 is made of gold, the color change from silver-white to gold-colored can be observed well and serves e.g. as an indication of the end of the etching process or generally to check the progress of the etching.
The outer region 7 can also advantageously be contacted with a connection (not shown here) to a drop 14. During the etching, the exposed partial area 19 of the outer region 7 is depassivated and the base layer 11 is dissolved. The etchant penetrates into the gaps formed between the intermediate layer 12 and the surfaces 3 and rounds off sharp edges 20 of the depressions 17.
When dimensioning the structures of the mask window 4, the undercut of the mask 2 (FIG. 1) must be taken into account. For small holes, the diameter of which corresponds approximately to the thickness of the substrate 1, the opening 5 must be very small at the beginning of the etching process. The etching rate therefore decreases rapidly in depth until finally only the mask 2 is substantially under-etched.
The bath can be moved using ultrasound during the etching. Ultrasound can be generated continuously or at predetermined times.
The mask window 4 described above (FIG. 1) changes advantageously. The depressions 17 of the central opening 5 and the boundary strip 6 undercut the inner region 8 from the inside and from the outside. At a later predetermined time, the two etching fronts 21 touch. The inner region 8 of the mask 2 is etched free and falls out of the mask 2. The deep etching rate increases suddenly in one step due to the large enlargement of the opening 5 onto the surface of the mouth 18, so that the depression 17 has steep walls. As mentioned above, the start of etching in the boundary strip 6 can be delayed. This advantageously influences the steepness of the walls of the depression 17.
If the regions 7 and 8 are connected by means of tongues 10, the undercut and freely hanging masks 2 in the inner region 8 can be vibrated by means of ultrasound until the tongues 10 break due to material fatigue.
If the mask windows 4 have a shape deviating from the circular shape, other depressions 17 are produced as symmetrical holes.
Normally, the etchant attacks the edges of the substrate 1 that are either damaged or poorly covered, the substrate 1. There the mask 2 protrudes slightly after the etching and, since it is mechanically strong enough, can be removed from the surfaces 3. In the case of very thin substrates 1, however, a chemical etching process for removing the metallic layers 11 to 13 is advantageous.
In one embodiment of the mask window 4, the width 5 was chosen to be approximately 1 to 5 micrometers. The distance D depends on the diameter of the desired hole and on the thickness of the substrate 1. For example, for a hole of approximately 0.3 mm in diameter, the distance D is approximately 0.1 mm for a substrate 1 of 0.3 mm in thickness. The degree of undercut is shown at the mouth 18, the diameter of which is 0.3 mm as the hole.
The etching process takes between 10 and 45 minutes. A plurality of identical masks 2 can advantageously also be applied next to one another on the same glass plate. With a single etching process, a predetermined number of identical substrates 1 are obtained after the glass plate has been separated.