DE19535666A1

DE19535666A1 - Verfahren zur Erzeugung einer Feinkeramikstruktur

Info

Publication number: DE19535666A1
Application number: DE1995135666
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Hirata
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; New Energy and Industrial Technology Development Organization
Priority date: 1994-09-28
Filing date: 1995-09-26
Publication date: 1996-04-25
Anticipated expiration: 2015-09-27
Also published as: JP2924664B2; JPH0897483A; US5820810A; US5676906A; DE19535666C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Feinkeramikstruktur und insbesondere ein Verfah ren zur Erzeugung einer Feinkeramikstruktur speziell für piezoelektrische Keramik mit Säulenstrukturen, wie sie für einen Ultraschalloszillator oder ein solches Sonar für medizinische Zwecke benötigt werden.

Im allgemeinen wird ein Wachsverfahren unter Formver lust als Verfahren zur Ausbildung von Feinkeramikstruk turen eingesetzt. Dieses Verfahren wird mit Bezug auf Fig. 6 näher beschrieben.

Gemäß Fig. 6 wird ein mit einem röntgenempfindlichen Resistmaterial 1 beschichtetes Substrat 2 durch eine Maske 3 mit Synchrotronstrahlung (SR) einer tiefrei chenden Röntgenlithographie unterworfen und danach zur Herstellung der Resiststrukturen 4 entwickelt (siehe (1) in Fig. 6).

Danach wird eine Form 5 durch Elektroformen der Resist strukturen 4 gebildet, welche ihrerseits danach ent fernt werden (siehe (2) in Fig. 6).

Danach wird die auf die vorgenannte Weise gebildete Form 5 dazu verwandt, die Kunststofform 6 auszubilden (siehe (3) in Fig. 6). Diese Kunststofform 6 hat eine inverse Form zur erwünschten Feinkeramikstruktur. Da nach wird die Kunststofform 6 mit der Keramikaufschläm mung 7 beschickt, welche ihrerseits getrocknet und ver festigt wird (siehe (4) in Fig. 6).

Schließlich wird die Kunststofform 6 mittels Hitze weg gebrannt, so daß nur die Keramik über bleibt, die ih rerseits zur Ausbildung der Feinkeramikstruktur 8 ge brannt wird (siehe (5) in Fig. 6).

Gemäß der vorgenannten herkömmlichen Verfahrensweise ist es möglich, eine Feinkeramikstruktur mit Eintiefun gen, wie Löchern oder Rillen, mit beispielsweise wenig stens 100 µm Weite auszubilden.

Nach diesem herkömmlichen Verfahren ist es jedoch ex trem schwer, Feinkeramikstrukturen mit Säulenstrukturen auszubilden, die ein Feinmuster von weniger als 100 µm Weite und ein hohes Längen-/Weitenverhältnis aufweisen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem Feinkeramikstruktu ren mit feinen Säulen- oder Rillenstrukturen von nicht mehr als 100 µm Weite und einem hohen Längen- /Weitenverhältnis erzeugt werden können.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, bei dem eine Kunststofform mit einer Keramikaufschlämmung be schickt wird, diese Keramikaufschlämmung verfestigt wird, wonach die Kunststofform entfernt wird, wobei die Kunststofform durch Erhitzen im Vakuum, durch Laser-Ab lation, durch Plasma-Ätzen oder durch Auflösen der Kunststofform in einem Lösungsmittel mit niedriger Vis kosität entfernt wird.

Wenn das Verfahren die Entfernung der Kunststofform durch Erhitzen im Vakuum vorsieht, wird vorzugsweise eine aus Acrylharz hergestellte Kunststofform verwandt.

Wenn zur Entfernung der Kunststofform die Laser-Abla tion eingesetzt wird, ist es bevorzugt, eine Kunst stofform aus Acrylharz zu verwenden, die Feinkeramik struktur aus Bleizirkonattitanat zu erzeugen und die Laser-Ablation durch Bestrahlen der Kunststofform mit einem Laserstrahl bei einer Energiedichte von nicht mehr 350 mJ/cm² vorzunehmen.

Wenn ein Plasma-Ätzverfahren zur Entfernung der Kunst stofform verwandt wird, ist es bevorzugt, eine Kunst stofform aus Acrylharz einzusetzen, wobei die Feinkera mikstruktur aus Bleizirkonattitanat besteht.

Wenn ein Lösungsmittel niedriger Viskosität zum Auflö sen der Kunststofform verwandt wird, besteht die Kunst stofform vorzugsweise aus Acrylharz und wird als Lö sungsmittel vorzugsweise Aceton eingesetzt.

Überraschend wurde gefunden, daß die Schwierigkeiten bei der Ausbildung einer Feinkeramikstruktur mit feiner Säulen- oder Rillenstruktur bei hohem Längen- /Weitenverhältnis ganz allgemein durch den Einsatz thermischer Zersetzungsverfahren zur Entfernung der Kunststofform verursacht werden.

Es ist einsichtig, daß das Harz, das bei der thermi schen Zersetzung schmilzt und als viskose Flüssigkeit abfließt, in nachteiliger Weise säulenartige Vorsprünge der Feinkeramikstruktur hinabdrückt. Wenn eine Säule mit quadratischem Querschnitt in eine Flüssigkeit mit vorgegebener Fließgeschwindigkeit plaziert wird, ist deren Fließwiderstand proportional zu pv(hL)/L, wobei v die Fließgeschwindigkeit, µ den Viskositätsko effizienten, L die Länge einer jeden Seite des Quadrats und h die Höhe darstellen. So ist die Viskosität dem Viskositätskoeffizienten (µ) und dem Längen- /Weitenverhältnis (h/L) direkt proportional und der Länge (L) einer jeden Seite umgekehrt proportional. Da her werden säulenartige Vorsprünge etc. der Feinkera mikstruktur um so leichter beeinträchtigt, je mehr das Muster verfeinert und das Längen-/Weitenverhältnis (h/L) vergrößert wird.

Erfindungsgemäße wird daher die Kunststofform durch Er hitzen im Vakuum, durch Laser-Ablation, durch Plasma- Ätzen oder durch Auflösen in einem Lösungsmittel ent fernt.

Entsprechend schmilzt das Harz nicht und kommt es bei der Entfernung der Kunststofform nicht zu Fließerschei nungen, was die säulenartigen Vorsprünge etc. der Kera mikstruktur schont.

Entsprechend ist es möglich, Feinkeramikstrukturen aus zubilden, die besondere Strukturen mit geringem Durch messer und hohem Längen-/Weitenverhältnis aufweisen.

Die vorgenannten Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vor teile der Erfindung werden durch die nachstehende ein gehende Beschreibung der Erfindung im Zusammenhang mit den begleitenden Abbildungen näher erläutert.

Fig. 1 erläutert schematisch eine exemplarische Vor richtung zur Entfernung einer Kunststofform durch Erhitzen derselben im Vakuum entsprechend der Erfindung;

Fig. 2 erläutert die Relation zwischen der Ener giedichte eines Laserpulses und der Abtragungs menge pro Puls;

Fig. 3 erläutert schematisch eine exemplarische Vor richtung zur Entfernung einer Kunststofform durch Laser-Ablation gemäß der Erfindung;

Fig. 4 erläutert schematisch eine exemplarische Vor richtung zur Entfernung einer Kunststofform durch Plasma-Ätzen gemäß der Erfindung;

Fig. 5 erläutert schematisch eine Möglichkeit zur Auf lösung einer Kunststofform mit einem Lösungsmittel gemäß der Erfindung; und

Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer herkömmlichen Methode zur Ausbildung einer Keramikstruktur im Schnitt.

Zuerst wird eine Keramikaufschlämmung in eine Kunst stofform gegeben und verfestigt, ähnlich wie für das herkömmliche Verfahren bei (1) bis (4) von Fig. 6 ge zeigt.

Dabei wird zunächst ein leitendes Substrat 2, das mit einem röntgenempfindlichen Resistmaterial 1 beschichtet ist, einem lithographischen Verfahren mit Synchrotron strahlung (SR) durch eine lithographische Röntgen-Maske 3, die eine Trägerfolie aus Siliciumnitrid von bei spielsweise 2 µm Dicke und ein relativ dickes Adsorp tionsmuster aus Wolfram von beispielsweise 5 µm Dicke aufweist, unterworfen, wie bei (1) in Fig. 6 gezeigt. Danach wird das Substrat 2 entwickelt wobei sich die Resiststrukturen 4 ergeben.

Danach werden die entwickelten Resiststrukturen 4 mit Nickel plattiert, um eine Nickelform 5 zu erzeugen, wie bei (2) in Fig. 6 gezeigt, und danach entfernt.

Danach wird die Nickelform 5 für die Kunststofformung eingesetzt und die Kunststofform 6 erzeugt, wie bei (3) in Fig. 6 gezeigt. Diese Kunststofform 6 liegt hin sichtlich der feinkeramischen Struktur mit Säulenstruk turen von 10 µm Durchmesser bei einer Höhe von 100 µm in inverser Form vor. Alternativ kann ein Substrat aus einer Resistplatte oder einer Acrylharzplatte, die mit einem Resistmaterial beschichtet ist, gebildet werden, der Lithographie mit SR unterworfen und entwickelt wer den, um die Kunststofform zu erzeugen.

Danach wird die Kunststofform 6 mit einer Keramikauf schlämmung beschickt, welche ihrerseits getrocknet und verfestigt wird, wie bei (4) in Fig. 6 gezeigt.

Schließlich wird die Kunststofform 6 nach einer der folgenden vier Methoden gemäß der Erfindung entfernt, wonach gebrannt und dadurch die Feinkeramikstruktur 8 ausgebildet wird.

(1) Erhitzen im Vakuum

Fig. 1 erläutert exemplarisch eine Vorrichtung zur Ent fernung einer Kunststofform durch Erhitzen derselben im Vakuum gemäß der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 wird diese Vorrichtung aus einer Vakuum kammer 10, einer Pumpe 11 zur Evakuierung der Vakuum kammer 10, Heizelementen 12, die innerhalb der Vakuum kammer 10 angeordnet sind, und einer Energiequelle 13 gebildet, die mit den Heizelementen 12 verbunden ist.

Die Apparatur mit dem vorgenannten Aufbau wird zur Ent fernung der Kunststofform 6 wie folgt eingesetzt:
Zuerst wird die Kunststofform 6, die mit der Kera mikaufschlämmung 7 beschickt wurde und in der diese verfestigt wurde, in der Vakuumkammer 10 angeordnet. Danach wird die thermische Zersetzung unter Tempera turbedingungen durchgeführt, die 500°C nicht überstei gen, wobei das Vakuum nicht mehr als 10^-4 Torr beträgt.

Unter diesen Bedingungen wird das Harz mit sehr hohen Raten, verglichen mit atmosphärischen Bedingungen, zer setzt und verdampft, wobei bei Kunststofformen 6 aus Harz mit niedrigem Molekulargewicht Sublimation ein tritt, was die Entfernung der Kunststofform 6 ermög licht, ohne daß Kräfte auf die feinkeramische Struktur 8 einwirken können. Entsprechend ist es möglich, eine feinkeramische Struktur 8 mit säulenartigen Vorsprüngen von 10 µm Durchmesser bei einer Höhe von 100 µm aus zu bilden.

(2) Laser-Ablation

Die Kunststofform kann auf diese Weise durch Ausnutzung der Differenz der Schwellenwerte der Fein keramikstruktur und der Kunststofform bei der Ablation entfernt werden. In anderen Worten, es ist möglich, nur die Kunststofform zu entfernen und die feinkeramische Struktur unbehelligt zu lassen, indem ein Wert zwischen den Schwellenwerten für die Energiedichte der beiden Materialien gewählt wird. Im folgenden wird ein konkre tes Beispiel gegeben.

Die Laser-Ablation wird an einer Kunststofform aus Acrylharz vorgenommen, die eine feinkeramische Struktur aus Bleizirkonattitanat enthält, beispielsweise mit ei nem ArF-Excimer-Laser. Fig. 2 erläutert die Relation zwischen der Energiedichte eines Laserimpulses (mJ/cm²) und der abgetragenen Menge (µm) pro Impuls.

Es ist möglich, nur die Kunststofform durch Ablation abzutragen, ohne daß ein Einfluß auf die Keramikstruk tur genommen wird, indem ein Laserstrahl mit einer En ergiedichte von nicht mehr als 350 mJ/cm² verwandt wird, die den Schwellenwert für die Keramik darstellt. Entsprechend ist es möglich, feinkeramische Strukturen mit säulenartigen Vorsprüngen von 10 µm Durchmesser bei einer Höhe von 100 µm auszubilden.

Fig. 3 zeigt schematisch und exemplarisch eine Vorrich tung zur Entfernung einer Kunststofform durch Laser-Ab lation gemäß der Erfindung.

Gemäß Fig. 3 wird diese Vorrichtung durch eine Laser quelle 20, einen Spiegel 21 und eine Scannerbühne 22 zur Aufnahme und Bewegung der Kunststofform 6 gebildet. Wenn es notwendig ist, die Kunststofform 6 auf einer großen Fläche zu entfernen, kann beispielsweise der La serstrahl 23 über eine solche Vorrichtung auf die zu bestrahlende Fläche gelenkt werden.

(3) Plasma-Ätzen

Wenn das Ätzverfahren beispielsweise mit einem Plasma aus Sauerstoff und Freon durchgeführt wird, wird das Harz mit hoher Geschwindigkeit zersetzt, während das Keramik nur mit geringer Geschwindigkeit angegriffen wird. Es ist möglich, die Kunststofform unter Ausnut zung des Unterschieds im Trockenätzwiderstand zwischen der Feinkeramikstruktur und der Kunststofform zu ent fernen. Im folgenden wird ein konkretes Beispiel gege ben.

Fig. 4 zeigt schematisch und exemplarisch eine Vorrich tung zur Entfernung einer Kunststofform durch Plasma- Ätzen gemäß der Erfindung.

Gemäß Fig. 4 wird diese Vorrichtung von einer Vakuum kammer 30, einer Pumpe 31 zur Evakuierung der Vakuum kammer 30, einer Ätzgasquelle 32 zur Einleitung von Ätzgas in die Vakuumkammer 30 und einer Energiequelle 34 zur Erzeugung eines Plasmas 33 gebildet.

Bei der Durchführung des Plasma-Ätzens an einer Kunst stofform aus Acrylharz mit einer feinkeramischen Struk tur aus Bleizirkonattitanat mit einer Plasmaenergie von 50 W und einem Reaktionsgasdruck von 0,5 Torr wird bei spielsweise die Kunststofform aus Acrylharz mit einer Geschwindigkeit von etwa 3 µm/min weggeätzt, während die feinkeramische Struktur nicht betroffen ist. Ent sprechend ist es möglich, feinkeramische Strukturen mit Säulen von 10 µm Durchmesser und einer Höhe von 100 µm auszubilden.

Es ist wichtig, die Plasmakonditionen entsprechend der Form der feinkeramischen Struktur, die gebildet wird, etwa der Weite und dem Längen-/Weitenverhältnis der Säule, zu optimieren.

Die Relation zwischen RF-Energie und dem Längen- /Weitenverhältnis der keramischen Säulen wurde wie folgt bestimmt:
Zunächst wurden Löcher in der Kunststofform 6 gebildet, die eine Tiefe von 30, 50, 70, 90, 100, 120, 150, 170, 200, 220 und 250 µm aufwiesen, und einen Durchmesser von 20 µm hatten, und diese mit einer Keramikaufschläm mung zur Erzeugung der Proben beschickt. Diese Proben wurden dann unter entsprechenden Bedingungen mit RF- Energiewerten von 30, 50 und 100 W zur Entfernung der Kunststofformen geätzt.

Es wurde gefunden, daß lange keramische Säulen nicht gebildet werden können, sondern, ähnlich wie im Fall der thermischen Zersetzung, Säulen zerbrechen, wenn die RF-Energie zu hoch ist. Tabelle 1 zeigt die Relation zwischen der RF-Energie und der Höhe der keramischen Säulen, die ausgebildet werden können.

Tabelle 1

Das vorerwähnte Experiment wurde für Höhen bis zu 250 µm durchgeführt, so daß die obere Grenze der Höhe der keramischen Säulenstruktur für den Fall von 30 W nicht geklärt wurde. Die Ausbildung längerer keramischer Säu lenstrukturen kann für den Fall einer RF-Energie von nicht mehr als 30 W angenommen werden.

Zu Vergleichszwecken wurde eine Kunststofform aus Poly imid hergestellt und einem Experiment unterworfen. Die Ätzrate dieser Probe war etwa 1 µm/h unter RF-Bedingun gen von 50 W und einem Reaktionsgasdruck von 0,5 Torr. Dabei wurde ein in der Keramikaufschlämmung enthaltenes Bindemittel carbonisiert, so daß es nicht möglich war, feinkeramische Strukturen mit Säulen mit einem hohen Länge-/Weitenverhältnis zu erzielen. Es hat sich ge zeigt, daß insbesondere Acrylharz ein geeignetes Mate rial für das erfindungsgemäße Verfahren ist, insbeson dere auch wegen seiner hohen Rate beim Plasma-Ätzen.

(4) Auflösen mit einem Lösungsmittel

Fig. 5 erläutert schematisch das Verfahren zur Auflö sung einer Kunststofform mit einem Lösungsmittel gemäß der Erfindung.

Gemäß Fig. 5 ist es möglich, eine Kunststofform 6, die mit einer Keramikaufschlämmung beschickt wurde und in der diese verfestigt wurde, ohne Ausübung eines Ein flusses auf die feinkeramische Struktur 8 durch Eintau chen der Form 6 in ein Lösungsmittel 40 niedriger Vis kosität aufzulösen.

Wenn das Lösungsmittel 40 aus Aceton und die Kunst stofform aus Acrylharz besteht, wird nur die Kunst stofform 6 gelöst, während die feinkeramische Struktur 8 nicht betroffen ist. Entsprechend ist es möglich, feinkeramische Strukturen mit Säulen von 10 µm Durch messer und einer Höhe von 100 µm auszubilden.

Es versteht sich, daß die Erfindung, die vorstehend im einzelnen beschrieben und erläutert wurde, nicht auf die gegebenen Beispiele beschränkt ist, sondern sich aus den Ansprüchen unter Hinzuziehung der Beschreibung ergibt.

Claims

1. Verfahren zur Bildung einer Feinkeramikstruktur, bei dem eine Kunststofform mit einer Keramikauf schlämmung beschickt, diese Keramikaufschlämmung verfestigt und danach die Kunststofform entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststofform durch Erhitzen der Plastikform im Vakuum, durch La ser-Ablation, durch Plasma-Ätzen oder durch Anwen dung eines niedrig viskosen Lösungsmittels unter Auflösen der Plastikform entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststofform durch Erhitzen im Vakuum ent fernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Kunststofform aus Acrylharz ver wandt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststofform durch Laser-Ablation entfernt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kunststofform aus Acrylharz verwandt wird, daß die Feinkeramikstruktur aus Bleizirkonattitanat hergestellt ist und daß die Laser-Ablation durch Bestrahlen der Kunststofform mit einem Laserstrahl mit einer Energiedichte von nicht mehr als 350 mJ/cm² durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststofform durch Plasma-Ätzen entfernt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kunststofform aus Acrylharz und eine Fein keramikstruktur verwandt wird und daß die Feinkera mikstruktur aus Bleizirkonattitanat hergestellt ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plastikform mit einem Lösungsmittel niedri ger Viskosität entfernt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Plastikform aus Acrylharz verwandt wird und das Lösungsmittel Aceton ist.