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"Verfahren zum Hochfrequenz-Kathodenzerstäubungs-Ätzen
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von Löchern in einem Substrat" Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zum Hochfrequenz-Kathodenzerstäubungs-Ätzen von Löchern in einem Substrat,
insbesondere von Düsenlöchern für Tintenstrahldrucker.
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Bei Tintenstrahldruckern, die z.B. als Ausgabeeinheiten von Rechenalagen
dienen, wird das zu beschriftende Papier mit feinen Farbtröpfchen beschossen, deren
Flug so gelenkt wird, daß sie sich zu Schriftzeichen zusammenfügen.
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Die praktische Ausführung eines Farbstrahldruckers beginnt mit der
Konstruktion des sogenannten Tropfengenerators.
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Im Tropfengenerator wird die Farbe mit einem Druck von einigen bar
durch Düsen gepreßt. Die Rückwand des Farbbehälters ist fest mit einem piezoelektrischen
Kristall verbunden, der die hochfrequente Schwingung einer Synchronisationsspannung
in eine mechanische Schwingung umsetzt.
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Dadurch schwankt der Druck in der Farbe periodisch, wodurch der durch
die Düse des Tropfengenerators gepreßte Farbstrahl in regelmäßigen Abständen leichte
Einschnürungen erhält, die sich im Verlauf des Fluges weiter verengen und den Strahl
schließlich in Tröpfchen gleicher Größe zerfallen lassen, die mit einheitlicher
GeschwindigKeit und mit untereinander gleich großen Abständen zum Papier fliegen.
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Es ist einleuchtend, daß die Schärfe und Konturengenauigkeit der auf
diese Weise zu druckenden Zeichen von der geometrischen Beschaffenheit der Düsen
des Tropfengenerators abhängig ist; Je feiner diese Düsen ausgebildet werden können,
desto schärfer wird das Schriftbild.
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Die präzise Herstellung feiner Düsen macht bislang Schwierig-
zeiten
Es kommt hinzu, daß Düsen für Tintenstrahldrucker vorzugsweise nicht als zylindrische,
sondern als etwa kegelförmige oder konische Löcher ausgebildet sein sollten, denn
die Trichterwirtung, die sich aus der Anordnung der größeren Öffnung der Düse gegen
d en den Tintenvorratsbehälter gegenüber einer kleineren Öffnung an der Austrittsseite
des Farbstrahls ergibt, kann für die gleichmäßige Tröpfchenbildung Vorteile haben.
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Ein etwa kegelförmiges oder Konisches Dusenprofil Kleinster und präziser
Abmessungen herzustellen, macht besondere Maßnahmen bei der Herstellung der Düsen
erforderlich, was in einem Großserienprozeß ebenfalls mit Schwxrigteiten verbunden
ist, da hierzu zusätzliche Prozeßschritte nötig werden.
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Aus der DE-AS 26 26 420 ist ein kombiniertes Verfahren zur Herstellung
solcher Düsen in dielektrischen Platten be-Kann, bei welchem die Düsen des Tropfengenerators
zunächst bis kurz vor dem Durchbrechen des ersten Loches naß chemisch vorgeätzt
und anschließend durch Hochfrequenz-Sputter-Ätzen bis zum Durchbrechen aller Löcher
fertiggeätzt werden. Die konische Form der Düsen wird hier durch das sogenannte
Unterätzen bei der Einwirkung der chemischen Ätzflüssigkeit zu erreichen versucht.
Die Öffnungsweite der sich verjüngenden Löcher kann bei diesem Verfahren nur auf
sehr komplizierte Weise für alle Löcher etwa gleich gehalten werden, denn die Öffnungsweite
wird einmal durch Inhomogenitäten der zu ätzenden dielektrischen Platte, wie Kristallbaufehler
und/oder unterschiedliche Dicke der Platte, beeinflußt. Zum anderen ergeben sich
Nachteile aber auch dadurch, daß die Ätzflüssigkeit nicht an allen Löchern gleichmäßig
einwirkt, z.B. weil die Öffnungen in der PhotolacKmasxe unterschiedlich groß sind,
oder weil das unterschiedliche Mikrogefüge zwischen dem Photo lack der Ätzmaste
und der zu ätzenden Platte unter Umständen zu einer
nichthermetischen
Abdichtung der nicht zu ätzenden Bereiche der Platte gegenüber der Ätzflüssigkeit
führt oder weil die Ätzflüssigkeit an einzelnen Stellen infolge unterschiedlicher
StrömungsgeschwindigKeiten aggressiver ist als an anderen Stellen. Um diese Fehlerquellen
auszuschalten, muß nach dem bekannten Verfahren der kombinierte Ätzprozeß aus naß
chemischer Vorätzung und Nachbearbeitung der Löcher durch Hochfrequenz-Sputter-Ätzung
vorgenommen werden.
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Der Erfindung liegt. die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren
so auszugestalten, daß,ohne die Ungenauigketten einer naßchemischen Ätzung in Kauf
nehmen zu müssen, Löcher mit je nach Bedarf einstellbarem NeigungswinKel der Innenwandung
der Löcher, also einstellbarer Flanxensteilheit der Löcher, in ein Substrat geätzt
werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß unter Anwendung
einer ÄtzmasKe mittels reaktiver Ionen und/oder reaktiven Plasmas geätzt wird, wobei
das Ätzratenverhältnis zwischen dem Material des Substrates und dem Material der
Ätzmaske im Bereich von 100 : 1 bis 500 : 1 liegt.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird als Material
für das Substrat monokristallines Silicium verwendet.
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Nach weiteren vorteilhaften Ausführungen der Erfindung wird als Material
für die Ätzmaske Metall, insbesondere Kupfer oder Nickel, verwendet. Die Auswahl
eines Metalls für die ÄtzmasKe hat den Vorteil, daß im Grenzbereich zwischen dem
zu ätzenden Substrat und der ÄtzmasKe aufgrund eines sehr ähnlichen Mikro gefüges
zwischen dem Material des Substrat es und dem der Ätzmaske eine sehr innige Verbindung
und damit eine dicht abgeschlossene Zone vorliegt, die höchste Maß-
genauigkeit
der zu ätzenden Löcher gewährleistet.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird in
SF6-Plasma geätzt, dem zur Stabilisierung des Ätzprozesses 1 bis 10 %, vorzugsweise
2 % Sauerstoff zugemischt wird.
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Die Anwendung eines Sauerstoff-stabilisierten SF6-Plasmas hat gegenüber
einem für Kathodenzerstäubungsprozesse sonst angewendeten Kohlenstoff-Halogen-Plasma,
wie CF4, C2F6, CHF3 und andere, einen besonderen Vorteil, da vor allem atomares
Fluor und vermutlich S-F-Radizale mit dem zu ätzenden Material chemisch reagieren,
so daß infolge eines höheren Fluoranteils im SF6-02-Plasma die Ätzrate gegenüber
den Ätzraten in den C-F-Plasmen wesentlich höher wird.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird der
Arbeitsdruck für die reaktive Gasatmosphäre im Bereich von 101 bis 10 4 mbar gewählt.
Der Erfindung liegt hierbei die Erkenntnis zugrunde, daß bei einem Ätzprozeß in
reaktivem Plasma durch Druckvariation im Bereich von 101 bis 10 4 mbar in einem
flachen Reaktor (Diodensystem) das Verhältnis kurzlebiger zu langlebigen Radikalen
im Plasma beeinflußt werden kann, wodurch es mDglich wird, das herzustellende Ätzprofil
der Löcher im Substrat zu variieren.
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Der Ätzprozeß läuft z.B. bei Einsatz einer SF6-02-Gasatmosphäre so
ab, daß duch Anlegen einer hochfrequenten Spannung an das im Reaktor eingebaute
Diodensystem eine Gasentladung gezündet wird. Hierbei werden die SF6-Moletüle in
reaktive Bruchstücke (Fragment-Ionen), neutrale Radikale und Elektronen aufgespalten.
Atomares Fluor und die Radikale SF5, SF3 und SF reagieren mit der Substratoberfläche.
Bei einem geringen Arbeitsdruck der Gasatmosphäre (ca. 1 o~2 bis 10-3 mbar) tritt
nun noch - bei einem entsprechend hohen negativen Potential der Hochfrequenz-Elex-
trode
- die zusätzliche Wirkung ein, daß der Ätzprozeß außerdem von positiven Ionen erheblich
beeinflußt wird.
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Positive Ionen (SF4+, SF2+, F+) bewirken gemeinsam mit den kurzlebigen
Radikalen (so5, SF3, SF), daß vorwiegend in der Tiefe (anisotrop) geätzt wird, wobei
die Ätzrate des Substrat es infolge des geringer werdenden Gasaustausches im Lochbereich
in zunehmender Ätztiefe abnimmt.
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Dieser Effekt kann dazu ausgenutzt werden, mit entsprechender Einstellung
des Arbeitsdruckes der Gasatmosphäre Löcher mit allmählich Kleiner werdendem Durchmesser
herzustellen.
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Es hat sich bei Versuchen gezeigt, daß einem bestimmten Arbeitsdruck
der reaktiven Gasatmosphäre eine definierte Flankensteilheit der Innenwandung der
Löcher zugeordnet werden kann. Bei einem Druck von z.B. 10 1 mbar im SF6-02-Plasma
stellt sich bei der Ätzung von monokristallinem Silicium ein Ätzwinkel a von etwa
600 ein, bei einem Arbeitsdruck von 10 2 mbar dagegen ein Ätzwinkel z von etwa 830.
Es Kann also durch geeignete Auswahl eines Jeweils konstant zu haltenden Arbeitsdruckes
der reaktiven Gasatmosphäre dieFlantenCeilheit der Innenwandung der zu ätzenden
Löcher und damit das Verhältnis des größten zum kleinsten Lochdurchmesser je nach
Bedarf festgelegt werden.
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Uber eine Prozeßsteuerung des Arbeitsdruckes der reaktiven Gasatmosphäre,
also über einen während des Prozeßverlaufes nicht konstanten Druck, könnte darüberhinaus
auch die Ausbildung eines nicht-kontinuierlich verlaufenden Innenprofils der Löcher
in Betracht gezogen werden.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß mit nur einem einzigen Ätzschritt sehr Kleine Löcher höchst maßgenau in Substrate,
z.B.
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Platten für die Düsen von Tintenstrahldruckern, geätzt
werden
Können, wobei die Flankensteilheit der Innenwände der zu ätzenden Löcher Je nach
Bedarf über den Arbeitsdruck der ätzenden Gasatmosphäre einstellbar ist.
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Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben
und ihre Wirkungsweise erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 eine Vorrichtung zum Hochfrequenz-Kathodenzerstäubungs-Ätzen
mit zu ätzendem Substrat im Schnitt Fig. 2a und 2b ein geätztes Substrat mit Löchern
unterschiedlicher Durchmesser im Schnitt.
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Anhand der in Fig. 1 im Schnitt dargestellten Vorrichtung wird die
Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung beschrieben. Ein Substrat 1, aus z.B.
monokristallinem Silicium einer Dicke von 285 um, in das Löcher geätzt werden sollen,
befindet sich in einem Reaktor 3, der mit einem Deckel 5 vakuumdicht verschließbar
ist. Auf dem Substrat 1 ist eine Ätzinaske 7 einer Dicke von 1,2 um aus z.B. Kupfer
mit Öffnungen 9 angebracht, die das Substrat 1 freigeben für den nachfolgend zu
beschreibenden Ätzprozeß.
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Für einen Tintenstrahlducker werden mehrere Düsen in der Frontplatte
des Tropfengenerators benötigt, z.B. zwanzig; der Übersichtlichkeit halber sind
in der Figur nur sechs Öffnungen 9 für zu ätzende Löcher in der Ätzmaske 7 gezeigt.
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Die Ätzmaske wird vorteilhafterweise durch z.B. Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung
aufgebracht. Die Öffnungen 9 in der Ätzmaske 7 werden auf bekannte Weise hergestellt,
indem eine auf der Ätzmasrenschicht angebrachte Photolackschicht über eine MasKe
belichtet und entwickelt und der Photlacx
an den Stellen entfernt
wird, wo er die Ätzmasken schicht nicht bedecken soll. Die ÄtzmasKenschicht aus
Kupfer kann anschließend durch die Photolackmaske geätzt werden. Dies kann naßchemisch
erfolgen oder auch durch Kathodenzerstäubung in bekannter Weise, z.B.
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in einer Argonatmosphäre.
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Nachdem das so vorbereitete Substrat 1 in den Reaktor 3 eingebracht,
d.h. auf einer z.B. wassergekühlten Basiselektrode 11 angeordnet wurde, wobei durch
Siliconöl eine thermische Ankopplung des Substrats 1 an die Elettrode 11 bewirKt
wird, wird der Reaktor vakuumdicht mittels des Deckels 5 verschlossen und über eine
Pumpe 13 evakuiert. Im Reaktor 3 befindet sich eine elektrische Durchführung 15,
die mit einer Gegenelektrode 17 verbunden ist. Die Gegenelektrode 17 bildet das
Gegenstück zur Basiselektrode 11, die über eine Durchführung 19 durch den ReaKtor
3 mit einem nachfolgend zu beschreibenden Stromkreis verbunden ist. Die Elektroden
11 und 17 sind beispielsweise 4 cm voneinander entfernt. Der Stromkreis enthält
einen Hochfrequenzgenerator 21, der beispielsweise eine Frequenz von 27,12 MHz und
eine Hochfrequenzspannung von maximal 2 KV abgibt. In Serie zum Hochfrequenzgenerator
21 liegt die Parallelschaltung eines Kondensators und einer Induktivität in einer
Abstimmvorrichtung 23. Weinigstens eines dieser Schaltelemente muß abstimmbar sein,
um die an den Hochfrequenzgenerator 21 angeschaltete elektrische Schaltung auf Resonanz
abstimmen zu können. Diese Abstimmung auf Resonanz hat den Vorteil, daß die Spannung
zwischen den Elektroden 11 und 17 optimal eingestellt werden kann. Die Parallelschaltung
des Kondensators und der Induktivität in der Abstimmvorrichtung 23 ist mit der Durchführung
19 verbunden. Die Durchführung 15 ist an Masse angeschaltet und mit einem Anschluß
des Hochfrequenzgenerators 21 verbunden.
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Der Reaktor 3 liegt ebenfalls auf Erdpotential.
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Das Hochfrequenz-Kathodenzerstäubungs-Ätzen mittels reaktiver Ionen
und/oder reaktiven Plasmas wird durch die Kinetische Energie sowie die chemische
Reaktivität der Ionen oder des Plasmas bewirKt. Die für diesen Prozeß erforderlichen
Gase werden in den ReaKtor 3 über Gaszuleitungen 25 und 27 eingeleitet.
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Die Gasatmosphäre wird vorzugsweise aus SF6 gebildet, wobei zur Stabilisierung
des Ätzprozesses vorzugsweise 2 % Sauerstoff beigemischt werden.
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Durch das Hochfrequenzfeld zwischen den Elektroden 11 und 17 wird
die Gasentladung gezündet. Hierbei werden die SF6-Molexüle in reaktive Bruchstücke
(Fragment-Ionen), neutrale Radikale und Elektronen aufgespalten. Atomares Fluor
und die Radikale SF5, SF3 und SF reagieren mit der Oberfläche des Siliciumsubstrates
1, und es erfolgt die Umsetzung in das flüchtige Siliciumtetrafluorid SiF4 nach
der Gleichung Si + 4F ~ SiF4.
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Bedingt durch das hohe negative Potential der Basiselektrode 11 und
einen mit 10-2 bis 10 3 mbar gering eingestellten Arbeitsdruck im reaktiven Plasma
wird der Ätzprozeß außerdem noch von positiven Ionen erheblich beeinflußt. Positive
Ionen (SF4+, SF2+, F+) bewirken gemeinsam mit kurzlebigen Radikalen (SF5, SF3, SF),
daß vorwiegend in die Tiefe (anisotrop) geätzt wird.
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Das genannte Ausführungsbeispiel wurdeunter folgenden Bedingungen
ausgeführt: HF-Generator: 27,12 MHz HF-BasiseleKtrode: 180 mm Durchmesser, wassergekühlt
HF-Leistung: ca. 1,5 W/cm2 Arbeitsdruck der Gas- 1 . 0-2 mbar atmosphäre:
Gasdurchsatz:
1,35 l/h Temperatur der HF- 70 0C Elektrode: Unter diesen Bedingungen beträgt die
Ätzrate R für Silicium für Löcher mit einem Durchmesser > 100 um: RSi = 55 +
5 um/h, für Löcher mit einem Durchmesser < 100 um: R - 30 + 10 um/h.
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Durch Erhöhung des ArbeitsdrucKes auf ca. 101 bis 10-1 mbar nimmt
der relative Beitrag kurzlebiger Radikale im Verhältnis zu dem langlebiger Radikale
ab (die Lebensdauer der Radikale hängt unter anderem von der mittleren freien Weglänge
der Radikale in der Gasatmosphäre ab). Dadurch wird weniger in die Tiefe, sondern
mehr in die Breite geätzt (isotropes Ätzverhalten). Diese Möglichkeit, durch Druckvariation
von ca. 101 bis 10-4 mbar in einem flachen Reaktor (Diodensystem) das Verhältnis
kurzlebiger zu den langlebigen Radikalen zu ändern, gestattet,das Ätzprofil der
zu ätzenden Löcher zu verändern, so daß Löcher mit Öffnungen jeweils unterschiedlich
großer Durchmesser an der Oberseite bei gleich großem Durchmesser der Öffnungen
an der Unterseite des zu ätzenden Substrates hergestellt werden Können.
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In den Fig. 2a und 2b sind Substrate mit geätzten Löchern mit unterschiedlicher
Flankensteilheit der Innenwandungen dargestellt.
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Fig. 2a zeigt im Schnitt ein Substrat 1 aus monokristallinem Silicium
einer Dicke von 285 um, in welches bei einem Arbeitsdruck von 1 . 10 2 mbar mit
einem reaktiven SF6-02-Plasma Löcher 3 eines maximalen Durchmessers von 135 + 10
um und eines minimalen Durchmessers von 50 t 5 um bei einem Ätzwinkel 5 der Innenwandung
von 830 eingeätzt wurden.
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In Fig. 2b ist ein Substrat 1 wie für Fig. 2a beschrieben dargestellt.
Die Löcher 3 wurden hier bei einem Arbeitsdruck von 1 . 10 1 mbar mit einem reaktiven
SF6-o2-Plasma mit einem Xtzwintel zder Innenwandung von 600 geätzt; der maximale
Durchmesser der Löcher 3 beträgt bei gleicher Substratdicke wie für Fig. 2a beschrieben
425 + 20 um, der minimale Durchmesser 50 + 5 um.
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Das vorliegende Verfahren ist nicht darauf beschränkt, durchgehende
Löcher in ein Substrat zu ätzen. Es Können im Bedarfsfall auch nicht-durchgehende
Löcher in einem Substrat erzeugt werden.
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