DE19535666C2

DE19535666C2 - Verfahren zur Erzeugung einer Feinkeramikstruktur

Info

Publication number: DE19535666C2
Application number: DE19535666A
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: 2001-08-30
Anticipated expiration: 2015-09-27
Also published as: JPH0897483A; DE19535666A1; JP2924664B2; US5676906A; US5820810A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Feinkeramikstruktur und insbe sondere ein Verfahren zur Erzeugung einer Feinkeramikstruktur speziell für piezoelektri sche Keramik mit Säulenstrukturen, wie sie für einen Ultraschalloszillator oder ein Sonar für medizinische Zwecke benötigt werden.

Im allgemeinen wird ein Wachsverfahren unter Formverlust als Verfahren zur Ausbildung von Feinkeramikstrukturen eingesetzt. Dieses Verfahren wird mit Bezug auf Fig. 6 näher beschrieben.

Gemäß Fig. 6 wird ein mit einem röntgenempfindlichen Resistmaterial 1 beschichtetes Sub strat 2 durch eine Maske 3 mit Synchrotronstrahlung (SR) einer tief reichenden Röntgenli tographie unterworfen und danach zur Herstellung der Resiststrukturen 4 entwickelt (siehe (1) in Fig. 6).

Danach wird eine Form 5 durch Elektroformen der Resiststrukturen 4 gebildet, welche ih rerseits danach entfernt werden (siehe (2) in Fig. 6).

Danach wird die auf die vorgenannte Weise gebildete Form 5 dazu verwandt, die Kunststof form 6 auszubilden (siehe (3) in Fig. 6). Diese Kunststofform 6 hat eine inverse Form zur erwünschten Feinkeramikstruktur. Danach wird die Kunststofform 6 mit der Keramikauf schlämmung 7 beschickt, welche ihrerseits getrocknet und verfestigt wird (siehe (4) in Fig. 6).

Schließlich wird die Kunststofform 6 mittels Hitze weggebrannt, so daß nur die Keramik über bleibt, die ihrerseits zur Ausbildung der Feinkeramikstruktur 8 gebrannt wird (siehe (5) in Fig. 6).

Gemäß der vorgenannten herkömmlichen Verfahrensweise ist es möglich, eine Feinkera mikstruktur mit Eintiefungen, wie Löchern oder Rillen, mit beispielsweise wenigstens 100 µm Weite auszubilden.

Die EP 0 464 224 A1 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung von dicken filmartigen Struk turen aus keramischen Materialien auf einem Substrat. Dabei wird von einer Kunststoffform ausgegangen, die mit dem keramischen Material beschichtet wird, wonach das Kunststoff material entfernt und die Keramik gebrannt wird. Das Kunststoffmaterial wird durch chemi sche Behandlung oder durch Hitzebehandlung entfernt.

Nach dem herkömmlichen Verfahren ist es jedoch extrem schwer, Feinkeramikstrukturen mit Säulenstrukturen auszubilden, die ein Feinmuster von weniger als 100 µm Weite und ein hohes Längen-/Weitenverhältnis aufweisen. Es besteht die Gefahr, daß feine keramische Säulenstrukturen mit einem Durchmesser von 20 µm oder weniger und einer Länge von beispielsweise etwa 100 µm angegriffen oder durch mechanische Beanspruchung beschä digt werden.

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

Insbesondere soll die Abtragung der Kunststoffform unter Einwirkung geringerer Kräfte auf die Keramikstruktur, also möglichst schonend erfolgen.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, bei dem eine Kunststofform mit einer Ke ramikaufschlämmung beschickt wird, diese Keramikaufschlämmung verfestigt wird, wo nach die Kunststofform entfernt wird, wobei die Kunststofform durch Laser-Ablation, oder durch Plasma-Ätzen entfernt wird.

Wenn zur Entfernung der Kunststofform die Laser-Ablation eingesetzt wird, ist es bevor zugt, eine Kunststofform aus Acrylharz zu verwenden, die Feinkeramikstruktur 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 Kunststofform verwandt wird, ist es bevorzugt, eine Kunststofform aus Acrylharz einzusetzen, wobei die Feinkeramikstruktur aus Bleizirkonattitanat besteht.

Überraschend wurde gefunden, daß die Schwierigkeiten bei der Ausbildung einer Feinke ramikstruktur 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 thermischen 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 vorge gebener Fließgeschwindigkeit plaziert wird, ist deren Fließwiderstand proportional zu µv(hL)/L, wobei v die Fließgeschwindigkeit, µ den Viskositätskoeffizienten, L die Länge einer jeden Seite des Quadrats und h die Höhe darstellen. So ist die Viskosität dem Viskosi tätskoeffizienten (µ) und dem Längen/Weitenverhältnis (h/L) direkt proportional und der Länge (L) einer jeden Seite umgekehrt proportional. Daher werden säulenartige Vorsprünge etc. der Feinkeramikstruktur um so leichter beeinträchtigt, je mehr das Muster verfeinert und das Längen-/Weitenverhältnis (h/L) vergrößert wird.

Erfindungsgemäß wird daher die Kunststofform durch Laser-Ablation oder durch Plasma- Ätzen entfernt.

Entsprechend schmilzt das Harz nicht und kommt es bei der Entfernung der Kunststofform nicht zu Fließerscheinungen, was die säulenartigen Vorsprünge etc. der Keramikstruktur schont.

Entsprechend ist es möglich, Feinkeramikstrukturen auszubilden, die besondere Strukturen mit geringem Durchmesser und hohem Längen-/Weitenverhältnis aufweisen.

Die vorgenannten Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung werden durch die nachstehende eingehende Beschreibung der Erfindung im Zusammenhang mit den be gleitenden Abbildungen näher erläutert.

Fig. 1 erläutert schematisch eine exemplarische Vorrichtung zur Entfernung einer Kunststofform durch Erhitzen derselben im Vakuum entsprechend der Erfin dung;

Fig. 2 erläutert die Relation zwischen der Energiedichte eines Laserpulses und der Abtragungsmenge pro Puls;

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

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

Fig. 5 erläutert schematisch eine Möglichkeit zur Auflösung einer Kunststofform mit einem Lösungsmittel; und

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

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

Dabei wird zunächst ein leitendes Substrat 2, das mit einem röntgenempfindlichen Re sistmaterial 1 beschichtet ist, einem lithographischen Verfahren mit Synchrotronstrahlung (SR) durch eine lithographische Röntgen-Maske 3, die eine Trägerfolie aus Siliciumnitrid von beispielsweise 2 µm Dicke und ein relativ dickes Adsorptionsmuster 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 hinsichtlich der feinkera mischen Struktur mit Säulenstrukturen von 10 µm Durchmesser bei einer Höhe von 100 µm in inverser Form vor. Alternativ kann ein Substrat aus einer Resistplatte oder einer Acryl harzplatte, die mit einem Resistmaterial beschichtet ist, gebildet werden, der Lithographie mit SR unterworfen und entwickelt werden, um die Kunststofform zu erzeugen.

Danach wird die Kunststofform 6 mit einer Keramikaufschlämmung beschickt, welche ih rerseits getrocknet und verfestigt wird, wie bei (4) in Fig. 6 gezeigt.

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

(1) Erhitzen im Vakuum

Fig. 1 erläutert exemplarisch eine Vorrichtung zur Entfernung einer Kunststofform durch Erhitzen derselben im Vakuum.

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

Die Apparatur mit dem vorgenannten Aufbau wird zur Entfernung der Kunststofform 6 wie folgt eingesetzt:

Zuerst wird die Kunststofform 6, die mit der Keramikaufschlämmung 7 beschickt wurde und in der diese verfestigt wurde, in der Vakuumkammer 10 angeordnet. Danach wird die thermische Zersetzung unter Temperaturbedingungen durchgeführt, die 500°C nicht übersteigen, wobei das Vakuum nicht mehr als 10^-4 Torr beträgt.

Unter diesen Bedingungen wird das Harz mit sehr hohen Raten, verglichen mit atmosphärischen Bedingungen, zersetzt und verdampft, wobei bei Kunststofformen 6 aus Harz mit niedrigem Molekulargewicht Sublimation eintritt, was die Entfernung der Kunststofform 6 ermöglicht, 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 auszubilden.

(2) Laser-Ablation

Die Kunststofform kann auf diese Weise durch Ausnutzung der Differenz der Schwellenwerte der Feinkeramikstruktur 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 konkretes Beispiel gegeben.

Die Laser-Ablation wird an einer Kunststofform aus Acrylharz vorgenommen, die eine feinkeramische Struktur aus Bleizirkonattitanat enthält, beispielsweise mit einem 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 Keramikstruktur genommen wird, indem ein Laserstrahl mit einer Energiedichte 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 Vorrichtung zur Entfernung einer Kunststof form durch Laser-Ablation gemäß der Erfindung.

Gemäß Fig. 3 wird diese Vorrichtung durch eine Laserquelle 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 beispielswei se der Laserstrahl 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 durchge führt wird, wird das Harz mit hoher Geschwindigkeit zersetzt, während das Keramik nur mit geringer Geschwindigkeit angegriffen wird. Es ist möglich, die Kunststofform unter Aus nutzung des Unterschieds im Trockenätzwiderstand zwischen der Feinkeramikstruktur und der Kunststofform zu entfernen. Im folgenden wird ein konkretes Beispiel gegeben.

Fig. 4 zeigt schematisch und exemplarisch eine Vorrichtung zur Entfernung einer Kunststof form durch Plasma-Ätzen gemäß der Erfindung.

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

Bei der Durchführung des Plasma-Ätzens an einer Kunststofform aus Acrylharz mit einer feinkeramischen Struktur aus Bleizirkonattitanat mit einer Plasmaenergie von 50 W und einem Reaktionsgasdruck von 0,5 Torr wird beispielsweise die Kunststofform aus Acrylharz mit einer Geschwindigkeit von etwa 3 µm/min weggeätzt, während die feinkeramische Struktur nicht betroffen ist. Entsprechend 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 optimie ren.

Die Relation zwischen RF-Energie und dem Längen/Weitenverhältnis der keramischen Säu len 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 Keramikaufschlämmung 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 kerami schen Säulen, die ausgebildet werden können.

Tabelle 1

RF-Energie	Form der keramischen Säulen
30 W	Durchmesser: 20 µm, Höhe: 250 µm
50 W	Durchmesser: 20 µm, Höhe: 170 µm
100 W	Durchmesser: 20 µm, Höhe: 90 µm

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

Zu Vergleichszwecken wurde eine Kunststofform aus Polyimid hergestellt und einem Expe riment unterworfen. Die Ätzrate dieser Probe war etwa 1 µm/h unter RF-Bedingungen von 50 W und einem Reaktionsgasdruck von 0,5 Torr. Dabei wurde ein in der Keramikauf schlämmung enthaltenes Bindemittel carbonisiert, so daß es nicht möglich war, feinkerami sche Strukturen mit Säulen mit einem hohen Länge-/Weitenverhältnis zu erzielen. Es hat sich gezeigt, daß insbesondere Acrylharz ein geeignetes Material für das erfindungsgemäße Verfahren ist, insbesondere auch wegen seiner hohen Rate beim Plasma-Ätzen.

(4) Auflösen mit einem Lösungsmittel

Fig. 5 erläutert schematisch das Verfahren zur Auflösung einer Kunststofform mit einem Lösungsmittel.

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

Wenn das Lösungsmittel 40 aus Aceton und die Kunststofform aus Acrylharz besteht, wird nur die Kunststofform 6 gelöst, während die feinkeramische Struktur 8 nicht betroffen ist. Entsprechend ist es möglich, feinkeramische Strukturen mit Säulen von 10 µm Durchmesser 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 Keramikaufschlämmung beschickt, diese Keramikaufschlämmung verfestigt und danach die Kunststofform entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststofform durch Laser-Ablation entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kunststofform aus Acrylharz verwandt wird und daß die Laser-Ablation durch Bestrahlen der Kunststofform mit einem Laserstrahl mit einer Energiedichte von nicht mehr als 350 mJ/cm² durchgeführt wird.

3. Verfahren zur Bildung einer Feinkeramikstruktur, bei dem eine Kunststofform mit einer Keramikaufschlämmung beschickt, diese Keramikauschlämmung verfestigt und danach die Kunststofform entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststofform durch Plasma-Ätzen entfernt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kunststofform aus Acrylharz verwandt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinkeramikstruktur aus Bleizirkonattitanat hergestellt wird.